異構化、平臺化、IP化人工智能時代FPGA展現新趨勢

作為一種可編程邏輯器件，FPGA 在20 多年中已從電子設計的外圍器件逐漸演變為數字系統的核心。隨著云計算、人工智能時代的到來，善長數據并行計算、更加靈活和低延遲的FPGA 將受到更多關注，FPGA 廠商也推出不同類型的解決方案加以應對——異構計算平臺化、IP 化，FPGA 正展現出更多新的發展趨勢。

AI 應用驅動，FPGA 市場快速增長

云計算、人工智能的應用發展，對芯片的計算力提出了更高要求，FPGA 可以同時進行數據并行和任務并行計算，具備更大的靈活性。很多使用通用處理器或ASIC 難以實現的底層硬件控制操作，利用FPGA 可以很方便的實現。因此，近年來FPGA受到越來越多的關注和應用。

“AI 推斷需求的指數級增長，需要特定架構(DSA)以達到最大效率。然而，與AI 創新的速度相比，固定硬件的DSA 開發周期太過漫長。”賽靈思細分核心市場副總裁Yousef Khalilollahi指出：“FPGA提供靈活應變的平臺，支持可隨時根據最新AI 技術定制的DSA，而且無需坐等漫長硅片研發周期。”

微軟亞洲研究院異構計算組副研究員張宸在此前舉辦的“第六屆中國FPGA 產業發展論壇”上也指出，這些年人工智能的崛起，依靠的是深度神經網絡算法大型多層的網絡模型，典型的有循環神經網絡和卷積神經網絡。這樣的模型一次推斷(inference)通常需要數十億甚至上百億次的運算，而在線服務系統的響應時間在毫秒量級。這就意味著需要每秒上萬億次(TFLOPS)甚至百萬億次的運算性能，同時對器件的體積、功耗還有一定的約束。這使得人們期待的數據中心高性能計算硬件應當具備如下優勢：低延遲、低開銷和規模化。在數據中心，FPGA 相比GPU 的核心優勢在于低延遲，使用FPGA 來加速的話，只需要微秒級的PCIe 延遲，微軟現在的FPGA 是作為一塊PCIe 加速卡。對通信密集型任務，FPGA 相比CPU、GPU 的優勢更大。

在此情況下，近年來，FPGA 的應用領域正在不斷拓展，市場規模也不斷地擴大。研調機構Global Market Insights 的報告稱，2022年FPGA 規模有望超過99.8 億美元。根據Semico Research 預測數據，僅在人工智能應用中，FPGA 的市場規模將在未來4年內增長3 倍，達到52 億美元。

平臺化+異構整合，FPGA 展現新趨勢

面對拓展越來越大的應用趨勢，各FPGA 廠商也在推出不同的解決方案。這些解決方案反應了不同廠商面對新市場需求形成不同的發展策略，也對FPGA 的技術趨勢形成了不同影響。

去年，賽靈思在其2018 開發者大會(XDF)上發布了業界首款7nm 自適應計算加速平臺(ACAP)產品Versal。ACAP 的核心是新一代的 FPGA 架構，并結合了分布式存儲器與硬件可編程DSP 模塊、一個多核SoC 以及一個或多個軟件可編程且同時又具備硬件靈活應變性的計算引擎。從Versal ACAP 的推出可以看出，賽靈思正在試圖改變以往以FPGA 為單一核心的狀況，朝著異構計算平臺化發展，希望以此將不同種類的算法分配到更合適的異構引擎當中。新平臺可以支持更多應用，適應不同的開發者。正如Yousef Khalilollahi 所言：“單獨一個計算體系結構，無法滿足當今最流行的應用所需要的性能和功耗要求。在后摩爾定律時代，異構計算是唯一的發展之路。”

對于英特爾來說，對FPGA 的發展策略則是更多地整合多種處理器產品組合，面向云端提供綜合性計算解決方案。

在日前舉辦的“英特爾公司中國媒體紛享會”上，英特爾中國研究院院長宋繼強提出“超異構計算”概念，其中就包括了在未來芯片架構設計上進行靈活性的組合部署，實現CPU、FPGA、GPU 等處理器的組合，顯示了英特爾將基于其在云計算上的強大實力，把服務器CPU 與FPGA 的加速功能進行整合。FPGA 正越來越深入地嵌入到英特爾云端處理解決方案當中。英特爾數據中心事業部副總裁Caroline Y Chan 也表示，隨著5G網絡的建設，像是快速部署無線網絡、確保網絡性能、建置虛擬化環境等，都是必須完成的工作。而FPGA 的優勢十分明顯，在實現網絡虛擬化加快當中勢必會使用到它。另外，其可編程的特性也為網絡新增功能提供了更多靈活性與可擴展性。

Achronix 公司近日發布的Speedster7t 代表了另一種發展趨勢，其力圖將FPGA 的可編程性與ASIC 的布線結構和計算引擎相結合，通過對二維片上網絡(2D NoC)，以及高密度全新機器學習處理器(MLP)模塊陣列等的集成，簡化用戶設計，以應對人工智能機器學習應用的需求。“Speedster7t系統將數學函數、存儲器和可編程性整合到機器學習處理器中，再結合交叉芯片、二維NoC 結構，可以確保整個器件中數據自由流動。而在人工智能機器學習應用中，內存帶寬就是一切，Speedster7t 在這方面可以提供令人印象深刻的性能指標。” Achronix Semiconductor 總裁兼首席執行官Robert Blake 表示。

嵌入式FPGA，市場接受程度提升

不同于CPU、GPU 等在移動時代快速實現IP 化的發展趨勢，嵌入式FPGA(eFPGA)一直沒有成為市場的主流。不過，隨著云計算、人工智能時代的到來，eFPGA 的市場接受度有望進一步提升，成為FPGA 產品的主要發展趨勢之一。

對此，Robert Blake 指出，FPGA 是可以有效地實現IP 化。eFPGA 具有易用性，大大降低了使用門檻，可以快速滿足用戶多樣化需求，無論是系統級還是芯片級都可以支持。這在人工智能時代非常重要，特別是在邊緣側計算中受到歡迎。事實上，現在有很多用戶在尋問FPGA 的IP 問題。相信未來將有越來越多IP 化的FPGA 被應用。

eFPGA 是指將一個或多個FPGA 以IP 的形式嵌入ASIC、ASSP 或SoC 等芯片中的發展模式。eFPGA 的特色之一是易用性，它降低了客戶集成FPGA 加速器的門檻。客戶通過定制其邏輯、Ram 和Dsp 資源需求，可以將多個IP 進行組合，以便為特定的應用創建優化的可編程功能。這種發展模式在CPU 和GPU 等芯片中被大量使用，但在FPGA 上卻沒有得到推廣。

“eFPGA 是令人興奮的新工具，它使SoC 架構師可以使他們的芯片更加靈活和可重新配置。” Robert Blake 表示。

（來源：電子信息產業網）