FPGA人工智能時(shí)代的引擎!

引言：這是FPGA最好的時(shí)代，也是芯片技術(shù)最好的時(shí)代。我們相信，芯片作為人類文明史上最重要的成就之一，會(huì)繼續(xù)推動(dòng)更多的社會(huì)進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新。FPGA作為一種重要的芯片類別，將會(huì)在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域不斷煥發(fā)新生。而FPGA蘊(yùn)含的技術(shù)思想，也將持續(xù)啟發(fā)一代代智慧的研究者不斷創(chuàng)新！

什么是FPGA？

FPGA叫“現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列”，它本質(zhì)是一種可編程的芯片。人們可以把硬件設(shè)計(jì)重復(fù)少些在他的可編程存儲(chǔ)器里，從而使FPGA芯片可以執(zhí)行不同的硬件設(shè)計(jì)和功能。另外，你也可以使用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)的改變它上面運(yùn)行的功能，這就是為什么它們被稱作現(xiàn)場(chǎng)可編程的原因。事實(shí)上，你可以每隔幾秒就改變一次FPGA芯片上運(yùn)行的硬件設(shè)計(jì)，因此這種芯片非常靈活。

處理器圍繞一個(gè)CPU構(gòu)建，一個(gè)CPU一次執(zhí)行一個(gè)操作。此外，處理器通過(guò)以順序方式執(zhí)行指令來(lái)完成其任務(wù)，這意味著處理器的操作本質(zhì)上受到限制：所需的功能必須適應(yīng)可用的指令，并且在大多數(shù)情況下，不可能同時(shí)完成多個(gè)處理任務(wù)。指令集的設(shè)計(jì)非常通用，現(xiàn)在可以在極高的頻率下執(zhí)行指令。然而，這些特性并沒有消除基于軟件的數(shù)字設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)。

替代方案是基于硬件的方法。如果每個(gè)新設(shè)計(jì)都可以圍繞實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的確切功能的數(shù)字IC構(gòu)建，那將是非常方便的：無(wú)需編寫軟件，無(wú)指令集限制，無(wú)處理延遲，只需一個(gè)具有輸入引腳的IC ，輸出引腳和數(shù)字電路精確地對(duì)應(yīng)于必要的操作。

FPGA 通過(guò)什么實(shí)現(xiàn)可編程？

CLB（可配置邏輯模塊），構(gòu)成了FPGA可編程邏輯功能的核心。CLB需要彼此互聯(lián)并與外部電路交互，出于這些目的，F(xiàn)PGA使用可編程互連和輸入/輸出（I / O）塊矩陣。FPGA的“程序”存儲(chǔ)在SRAM單元中，這些單元影響CLB的功能并控制建立連接路徑的開關(guān)。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（HDL）最常見的兩種VHDL和Verilog，去告訴硬件怎么做。

• 優(yōu)點(diǎn)

• 可編程

• 靈活

• 低功耗

• 成本低

FPGA和CPU，GPU三者之間的區(qū)別？

CPU的工作方式基于一系列的計(jì)算機(jī)指令（指令集），CPU從內(nèi)存中取一小部分?jǐn)?shù)據(jù)放到寄存器或緩存中，使用一系列指令對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，操作我牛逼后，將數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存，提取另一小部分?jǐn)?shù)據(jù)，再用指令進(jìn)行操作，周而復(fù)始?！睍r(shí)域計(jì)算“，但有一個(gè)弊端就是在高速網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)需要指令控制執(zhí)行的數(shù)據(jù)集太大時(shí)，CPU不僅要處理復(fù)雜的指令，還要處理數(shù)據(jù)，根本忙不過(guò)來(lái)。

GPU、被稱作是”單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）“的并行處理，實(shí)際上就是，在GPU中有著一堆相同的計(jì)算核心，可以處理類似但并不是完全相同的數(shù)據(jù)集，因此，可以使用一條指令，就讓這些計(jì)算核心執(zhí)行相同的操作，并且平行的處理所有數(shù)據(jù)。

FPGA、它實(shí)際上是CPU計(jì)算模型的轉(zhuǎn)置。與其將數(shù)據(jù)鎖定在架構(gòu)上，然后使用指令流對(duì)其處理，F(xiàn)PGA將“指令”鎖定在架構(gòu)上，然后在上面運(yùn)行數(shù)據(jù)流。，實(shí)際上就是將某種計(jì)算架構(gòu)用硬件電路實(shí)現(xiàn)出來(lái)，然后持續(xù)的將數(shù)據(jù)流輸入系統(tǒng)，并完成計(jì)算?？删幊蹋膳渲?，就是修改控制數(shù)據(jù)流向的邏輯。

通俗理解

ASIC(定制化芯片): 比如商場(chǎng)里線程的玩具模型，小汽車、城堡等，這些買來(lái)就可以玩，是廠家給你做好的。喜歡什么就買什么，買了四個(gè)輪子的小汽車，發(fā)現(xiàn)四個(gè)輪子不好玩，其實(shí)想要三輪車，這就沒辦法，你只能再去掏錢買。

CPU或者ARM：買了一臺(tái)游戲機(jī)，玩什么游戲另外插卡。沒有游戲卡，就是廢鐵。

FPGA：相當(dāng)于樂高積木，買來(lái)的是以大堆零件（FPGA里的IOB、SLICE、blockram等），車輪、屋頂這些零件集成度很高（相當(dāng)于FPGA里的DCM、DSP等）；玩家根據(jù)圖紙，可以搭出多種樣式的模型?？梢愿鶕?jù)喜好想做成什么做成什么。

人工智能的發(fā)展

當(dāng)前，人工智能有了很大的發(fā)展，而這很大程度上歸功于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，當(dāng)你有了深度學(xué)習(xí)算法、模型，并構(gòu)建了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要足夠多的數(shù)據(jù)去訓(xùn)練這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。只有加入更多的數(shù)據(jù)，才會(huì)讓深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變的更大、更好。通過(guò)使用深度學(xué)習(xí)，我們?cè)诤芏鄠鹘y(tǒng)的AI領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，比如機(jī)器翻譯、語(yǔ)音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等等。同時(shí)，深度學(xué)習(xí)也可以逐步替換這些領(lǐng)域發(fā)展多年的專用算法。

評(píng)價(jià)AI的幾個(gè)維度：時(shí)延 處理速度 成本

5G 與 FPGA 有什么關(guān)聯(lián)？

5G時(shí)代用的頻率很可能從4G時(shí)代的1.8G提升至3.5G，這意味著其頻率穿透性會(huì)變差，衰減也會(huì)更快，基站覆蓋范圍要遠(yuǎn)小于3G、4G基站。有數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)3G基站可以覆蓋的區(qū)域可能需要4-5個(gè)5G基站覆蓋。高通曾在舊金山做過(guò)實(shí)驗(yàn)，0.1個(gè)平方公里的區(qū)域，需要部署174個(gè)2.8G頻段的小基站，然后才能達(dá)到5G的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。這意味著需要運(yùn)營(yíng)商需要購(gòu)買數(shù)倍的基站。

5G 網(wǎng)絡(luò)的典型特點(diǎn)包括高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低延時(shí)，以及更高的可擴(kuò)展性、智能性和異構(gòu)性。為滿足這些新的要求，5G 網(wǎng)絡(luò)必須采用許多新的技術(shù)，比如海量 MI-MO、云 RAN、新的基帶和 RF 架構(gòu) 等，而這些新的技術(shù)存在不確定性和較長(zhǎng)的優(yōu)化和迭代過(guò)程，而且市場(chǎng)上短期內(nèi)沒有形成統(tǒng)一的方案， 在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和運(yùn)維通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到最優(yōu)之前，都需要 FPGA 方案解決。FPGA 兩大國(guó)際巨頭賽靈思和英特爾都將 5G 通信作為未來(lái)幾年的戰(zhàn)略方向之一。

什么驅(qū)動(dòng)了FPGA的發(fā)展？

摩爾定律失效

摩爾定律,當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上的元器件數(shù)目每隔1-2年就會(huì)翻一倍，性能也會(huì)增加一倍?，F(xiàn)在納米技術(shù)到達(dá)了瓶頸，導(dǎo)致了摩爾定律的失效。

數(shù)據(jù)量大，面對(duì)更多的數(shù)據(jù)和更復(fù)雜的計(jì)算，需要更快處理速度和算力，CPU已經(jīng)不能夠支持。

5G時(shí)代的到來(lái)，基建的建設(shè)，帶動(dòng)了人工智能的發(fā)展，數(shù)據(jù)量的增大，低延時(shí)，超強(qiáng)酸鋰等等這些需求，都促使著FPGA的發(fā)展。

隨著發(fā)展，處理速度的需求，能不能將多個(gè)FPGA像軟件的集群一樣，形成一個(gè)FPGA集群網(wǎng)絡(luò)，不同的FPGA可以有不同的功能，如果用來(lái)模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不同的芯片來(lái)模擬復(fù)雜的神經(jīng)元，形成一個(gè)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

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