為何CPU主頻比FPGA快還要說可以幫助CPU加速？

主頻只是影響計(jì)算速度的一個(gè)因素，并不是全部。在執(zhí)行一些計(jì)算密集型的任務(wù)場(chǎng)景中，FPGA的計(jì)算速度是更快的，目前FPGA作為CPU的協(xié)處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在Intel、AMD等公司的產(chǎn)品中。

CPU、GPU、和FPGA的比較

桌面端的CPU為馮諾依曼結(jié)構(gòu)，從上圖可以看出，其基本組成為控制器，Cache，和ALU。而計(jì)算單元ALU在CPU中的占比不大，所以它的并行計(jì)算能力有限。

中間的為GPU，綠色的計(jì)算單元占了絕大部分，所以并行計(jì)算能力很強(qiáng)。

弱點(diǎn)是控制能力很弱，Cache小，為了保證計(jì)算能力，就需要大量的高速DDR保證數(shù)據(jù)吞吐率。

右側(cè)為FPGA，包含可編程的I/O、DSP、memory、PCIE等，因?yàn)榇罅看鎯?chǔ)單元的存在，F(xiàn)PGA在做計(jì)算的時(shí)候可以直接從內(nèi)部存儲(chǔ)單元讀取數(shù)據(jù)。

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正因?yàn)镃PU、GPU、和FPGA在結(jié)構(gòu)上的不同，也讓他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用層面有所側(cè)重。

目前主流的方案是把CPU、GPU和FPGA都集成在一個(gè)SoC中，通過片內(nèi)總線互聯(lián)。在執(zhí)行并行計(jì)算的時(shí)候，比如進(jìn)行圖像處理，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，通過協(xié)作分工，使芯片的工作效率最大化。

目前的3D封裝以及chiplet等技術(shù)為這樣的組合提供了可實(shí)現(xiàn)性。

為什么FPGA計(jì)算速度會(huì)比CPU更快？

在執(zhí)行大量的運(yùn)算場(chǎng)景中，F(xiàn)PGA相比GPU的核心優(yōu)勢(shì)在于低延遲。FPGA比CPU延遲低，在本質(zhì)上是體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別。FPGA同時(shí)擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行，而CPU幾乎只有數(shù)據(jù)并行，雖然也會(huì)才有流水線設(shè)計(jì)，但深度受限。因此，F(xiàn)PGA 更適合做需要低延遲的流式處理，GPU 更適合做大批量同構(gòu)數(shù)據(jù)的處理。

舉個(gè)例子：

我們有四個(gè)全加器，每一個(gè)的進(jìn)為輸出連接到下一個(gè)的進(jìn)位輸入，這樣實(shí)現(xiàn)的加法器被稱作行波進(jìn)位加法器（Ripple-Carry Adder， RCA）。其特點(diǎn)為：

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：低位全加器的Cout連接到高一位全加器Cin

優(yōu)點(diǎn)：電路布局簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便

缺點(diǎn)：高位的運(yùn)算必須等待低位的運(yùn)算完成

我們來看一下其關(guān)鍵路徑的延遲：

總延遲時(shí)間：（T + T）*4 + T = 9T，推廣到n位，總時(shí)間為（2n + 1）*T。

每一個(gè)全加器計(jì)算的時(shí)候必須等待它的進(jìn)位輸入產(chǎn)生后才能計(jì)算，所以四個(gè)全加器并不是同時(shí)進(jìn)行計(jì)算的，而是一個(gè)一個(gè)的串行計(jì)算。這樣會(huì)造成較大的延遲。

我們把這個(gè)電路改進(jìn)一下：提前計(jì)算出“進(jìn)位信號(hào)”，對(duì)進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行分析。

這樣我們就得到了一個(gè)：超前進(jìn)位加法器（Carry-Lookahead Adder， CLA）

其中，C1、C2、C3、C4都由下面的電路計(jì)算好，需要3級(jí)門延遲，然后在全加器中關(guān)鍵路徑上還有1級(jí)延遲

所以，總共有4級(jí)門延遲。

如果采用這種完全的超前進(jìn)位，理論上的門延遲都是4級(jí)門延遲。

實(shí)際電路過于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)（C31需要32位的與門和或門?。?/p>

通常的方法：采用多個(gè)小規(guī)模的超前進(jìn)位加法器拼接而成，例如，用4個(gè)8-bit的超前進(jìn)位加法器連接成32-bit加法器。

所以我們需要更多的計(jì)算位寬或者更大的數(shù)組，或者矩陣的運(yùn)算的時(shí)候，我們使用FPGA的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來。再多的計(jì)算，也就是放置更多的硬件邏輯資源。

FPGA對(duì)CPU加速場(chǎng)景

在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景下，單獨(dú)使用CPU和CPU+FPGA兩種方案所需處理時(shí)間的對(duì)比，可見FPGA對(duì)CPU的加速效果非常明顯，甚至比單獨(dú)使用CPU高出1~2個(gè)數(shù)量級(jí)！

FPGA的缺點(diǎn)

FPGA也是有缺點(diǎn)的，其中之一便是開發(fā)周期長(zhǎng)。其需要對(duì)特定的應(yīng)用編寫特定的FPGA。只要干的事情稍有不同，一般來說FPGA代碼就要重新寫一遍或者是至少要修改很多東西。如果要做的事情復(fù)雜、重復(fù)性不強(qiáng)，就會(huì)占用大量的邏輯資源，其中的大部分處于閑置狀態(tài)。

不過，Chiplet的應(yīng)用對(duì)對(duì)FPGA的開發(fā)周期有一定的優(yōu)化，以下是傳統(tǒng)FPGA開發(fā)的周期和應(yīng)用chiplet的開發(fā)周期對(duì)比：

未來的方向

在現(xiàn)在的SoC設(shè)計(jì)中，要充分考慮不同模塊的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA 和 CPU 協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，局部性和重復(fù)性強(qiáng)的歸 FPGA，復(fù)雜的歸 CPU。從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)算力的最優(yōu)化。

在未來，F(xiàn)PGA會(huì)作為協(xié)處理器和CPU、GPU共存一段時(shí)間，其主要提供以下三方面的能力：

能夠提供專門的硬件加速，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用中需要的關(guān)鍵處理功能。

FPGA設(shè)計(jì)在性能上非常靈活，使用流水線和并行結(jié)構(gòu)，適應(yīng)對(duì)性能的需求變化。

協(xié)處理器能為主處理器和系統(tǒng)存儲(chǔ)器提供寬帶，低延遲接口。

目前，英特爾，AMD，賽靈思等公司都把FPGA作為協(xié)處理器集成在SoC中作為實(shí)際應(yīng)用的硬件加速解決方案，這樣的設(shè)計(jì)也使得CPU和FPGA在未來的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)共存，互相配合，賦能各種計(jì)算場(chǎng)景。

編輯：jq