FPGA, 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列, 它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的, 與傳統(tǒng)模式的芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行對比，F(xiàn)PGA 芯片針對較多領(lǐng)域產(chǎn)品都能借助特定芯片模型予以優(yōu)化設(shè)計(jì)。從芯片器件的角度講，F(xiàn)PGA 本身構(gòu)成 了半定制電路中的典型集成電路，其中含有數(shù)字管理模塊、內(nèi)嵌式單元、輸出單元以及輸入單元等。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于FPGA芯片有必要全面著眼于綜合性的芯片優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改進(jìn)當(dāng)前的芯片設(shè)計(jì)來增設(shè)全新的芯片功能，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了芯片整體構(gòu)造的簡化與性能提升。

自轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)為中心的全方位創(chuàng)新戰(zhàn)略以來，英特爾正加速航行。作為重要棋子的FPGA，英特爾也加快了出新步伐。近日，英特爾宣布出貨全新Stratix 10 DX FPGA，而基于10nm工藝的Agilex系列已向參與早期使用計(jì)劃的客戶出貨，明年將正式量產(chǎn)。“眾所周知，數(shù)據(jù)已呈指數(shù)級增長，客戶所尋求的是將這些數(shù)據(jù)貨幣化，希望可通過全新應(yīng)用以及對現(xiàn)有應(yīng)用提速來實(shí)現(xiàn)貨幣化的目的，而充分利用這些海量數(shù)據(jù)就需要異構(gòu)方案。”英特爾公司網(wǎng)絡(luò)和自定義邏輯事業(yè)部副總裁兼FPGA和電源產(chǎn)品營銷總經(jīng)理Patrick Dorsey指出異構(gòu)計(jì)算在數(shù)據(jù)時代的優(yōu)勢所在，“這種異構(gòu)架構(gòu)包含了CPU、GPU、AI芯片以及FPGA，只有綜合性、針對性地解決具體問題，才能打造一個完整的解決方案。”

異構(gòu)方案解決加速挑戰(zhàn)

而在異構(gòu)平臺中，F(xiàn)PGA絕對“不可或缺”。隨著摩爾定律的放緩以及大數(shù)據(jù)、AI、5G、自動駕駛等的發(fā)展，對計(jì)算能力和帶寬提出了前所未有的要求，同時新的算法新的框架層出不窮，要應(yīng)對這一變化就需要靈活應(yīng)變的FPGA。據(jù)預(yù)計(jì)到2022年，F(xiàn)PGA市場將達(dá)到75億美元的規(guī)模，年復(fù)合成長率為9%。

而數(shù)據(jù)中心的兩大指標(biāo)需要“和衷共濟(jì)”：即網(wǎng)絡(luò)吞吐量必須提高，而時延必須降低。Patrick Dorsey表示，隨著服務(wù)器需要更高效的計(jì)算以處理AI等相關(guān)負(fù)載，包括FPGA、GPU等在內(nèi)的硬件加速器被廣泛使用，但其有效性能在很大程度上取決于CPU、可用系統(tǒng)內(nèi)存和加速器之間的通信帶寬和延遲。

于是乎，在4年前英特爾將Altera納入囊中之后，可打造“全能異構(gòu)平臺”的英特爾繼宣布在中國重慶成立全球最大的FPGA中國創(chuàng)新中心以來，又重磅宣布FPGA組合家族當(dāng)中的一個全新產(chǎn)品Stratix 10 DX，借力至強(qiáng)處理器Xeon+Stratix 10 DX的“組合拳”應(yīng)對加速挑戰(zhàn)。

Xeon+FPGA組合帶來高內(nèi)存擴(kuò)展能力

對于這一全新組合，Patrick Dorsey分析其最大優(yōu)勢在于低時延、高帶寬以及內(nèi)存擴(kuò)展能力。Stratix 10 DX不僅是英特爾首個支持PCIe Gen4的FPGA，同時通過與至強(qiáng)處理器采取超路徑互連UPI，從而帶來了關(guān)鍵價(jià)值即可快速擴(kuò)展內(nèi)存，如可支持8個獨(dú)立的傲騰DC持久內(nèi)存控制器，總?cè)萘靠傻?TB。

Patrick Dorsey解釋說，內(nèi)存無論是DDR還是傲騰，通過在至強(qiáng)處理器與FPGA之間共享存儲，在共享過程中就不用進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移或拷貝，因數(shù)據(jù)遷移和拷貝會帶來高成本，同時也會降低系統(tǒng)的性能。從新的內(nèi)存金字塔層級來看，不同類型的內(nèi)存包括存儲、持久性內(nèi)存以及標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)存，Stratix 10 DX則可提高塔尖高層級內(nèi)存性能，如傲騰和DRAM。

針對不同應(yīng)用性能的優(yōu)化，Patrick Dorsey列出了具體數(shù)字：在邊緣計(jì)算應(yīng)用中，Stratix 10 DX在擁有UPI之后，比僅使用PCIe的響應(yīng)速度快37%。而在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，因支持PCIe Gen4，帶寬比前一代PCIe Gen3擴(kuò)大了兩倍，使得數(shù)據(jù)處理更為快速，同時也擁有以太網(wǎng)功能。而在數(shù)據(jù)中心方面，通過英特爾的異構(gòu)即Xeon+FPGA計(jì)算，加之PCIe Gen4與UPI的互聯(lián)，總帶寬可提升2.6倍。

雖然英特爾已宣布退出5G基帶業(yè)務(wù)，但仍專注于基礎(chǔ)設(shè)施。對于正式商用的5G，Stratix 10 DX也大有可為。Patrick Dorsey介紹：“Stratix 10 DX可應(yīng)用于5G基站，其好處體現(xiàn)在低時延，尤其是當(dāng)5G走向數(shù)據(jù)中心、在vRAN方面應(yīng)用時配合至強(qiáng)處理器，可進(jìn)行諸多網(wǎng)絡(luò)功能的加速。”

目前新款FPGA與至強(qiáng)處理器通過UPI互連，Patrick Dorsey在談及未來封裝一體化問題提及，多樣化的FPGA可使得客戶進(jìn)行靈活的配置和優(yōu)化，集成封裝還非必須。

下一代Agilex實(shí)現(xiàn)諸多創(chuàng)新

而祭出的Stratix 10 DX FPGA還只是一個發(fā)韌，對于FPGA英特爾的完整路線圖已然浮出水面， Agilex FPGA系列也已出貨，明年量產(chǎn)。

據(jù)悉，英特爾Agilex FPGA系列幾乎集成了英特爾現(xiàn)階段所有的技術(shù)和創(chuàng)新優(yōu)勢，包括架構(gòu)、封裝、工藝、開發(fā)工具以及通過eASIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低功耗的快速方式。

Patrick Dorsey著重說，Agilex采用英特爾的10nm工藝，可對標(biāo)業(yè)界的7nm水平。并且，Agilex將支持下一代UPI，即基于CXL的開放標(biāo)準(zhǔn)接口，同時還將支持第五代PCIe，其他創(chuàng)新還包括第二代HyperFlex架構(gòu)、DSP創(chuàng)新等。他還強(qiáng)調(diào)，目前UPI只可搭配至強(qiáng)處理器使用，未來CXL將是公開的，可適配任何處理器。而從UPI過渡到CXL，只需對硬件接口和一些軟件進(jìn)行更新。最重要的是開發(fā)者已可使用UPI進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，客戶也可向CLX進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)移以及迭代。

放眼FPGA領(lǐng)域的兩大巨頭，在數(shù)字時代做出了殊途同歸的選擇， 這為我們國內(nèi)的FPGA相關(guān)技術(shù)的發(fā)展指明了發(fā)展方向，對我國科技水平的全面提高具有重要的作用。