從FPGA到ACAP，“萬能芯片”如何華麗轉(zhuǎn)身

讓時光倒退回到2015年，這一年2月份，FPGA龍頭企業(yè)賽靈思(Xilinx）發(fā)布了業(yè)界首款16nm工藝的FPGA產(chǎn)品——UltraScale+系列FPGA，在FPGA領(lǐng)域風(fēng)光無兩。同年6月份，當(dāng)時的半導(dǎo)體行業(yè)龍頭英特爾宣布以167億美元收購Altera。此后，人們給賽靈思設(shè)計出無數(shù)種前途，可是考慮到當(dāng)年50億美元的FPGA市場，大家都覺得這是一場實力懸殊的競爭。

把目光拉回到當(dāng)下，翻看今天的賽靈思官網(wǎng)，如果單看FPGA產(chǎn)品，賽靈思似乎沒有什么進步，因為FPGA產(chǎn)品工藝沒有精進，豐富的是合作伙伴和開發(fā)支持工具。作為“摩爾定律”的倡導(dǎo)者，英特爾則在FPGA上依然在宣講先進工藝的重要性，14nm的FPGA產(chǎn)品和10nm的FPGA產(chǎn)品計劃都公諸于世。不過需要注意的是，現(xiàn)在FPGA依然是一個小市場，結(jié)合中國報告網(wǎng)的數(shù)據(jù)來看，2017年全球FPGA市場份額只有67.5億美元，放到4204億美元的半導(dǎo)體市場里，規(guī)模太小了。如果是一家僅有FPGA產(chǎn)品的公司，吃掉整個市場后相對于英特爾來說也不夠大。

FPGA被譽為“萬能芯片”，能量就只有這么一點？當(dāng)然不是的。目前FPGA在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域已經(jīng)得到認可，采用FPGA的加速卡解決方案成為數(shù)據(jù)中心的首選。而人工智能通過深度學(xué)習(xí)算法在認知智能和推理智能上遇到難題，擅長推理的FPGA被寄予厚望。賽靈思如何借助這一歷史性的機遇實現(xiàn)跳躍性發(fā)展呢？答案在10月16日的2018賽靈思XDF（賽靈思開發(fā)者）大會上揭曉了。

數(shù)據(jù)中心優(yōu)先目前，各行各業(yè)的數(shù)據(jù)在源源不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)中心需要越來越多的存儲設(shè)備承載數(shù)據(jù)，同時也要通過大量計算將無序的數(shù)據(jù)加以提取，形成有用信息，從而服務(wù)于人們的生活。面對海量的數(shù)據(jù)分析，只憑借CPU來進行大數(shù)據(jù)計算遠遠無法滿足需求，因此設(shè)計人員想到為數(shù)據(jù)中心加速。而可供選擇的加速方案有兩個，一個是專用的ASIC，一個是FPGA。FPGA相比其他芯片，最大的優(yōu)點表現(xiàn)在低延遲性、可編程性、低功耗，這是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的剛需。

數(shù)據(jù)中心是FPGA繼通信領(lǐng)域后又一大殺手級應(yīng)用領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)中心解決方案上，F(xiàn)PGA不再僅僅是FPGA，而是加速卡中的加速解決方案。

在英特爾10nm“難產(chǎn)”的關(guān)鍵時間節(jié)點上，賽靈思的產(chǎn)品走到了前面。開發(fā)者大會上，賽靈思總裁及首席執(zhí)行官Victor Peng宣布賽靈思將進行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型之后將采取數(shù)據(jù)中心優(yōu)先戰(zhàn)略。伴隨而來的還有一個重磅的新品——Versal ACAP。

賽靈思總裁及首席執(zhí)行官Victor Peng

為什么叫ACAP？Victor Peng解釋說：“ACAP是可擴展的一體化程度非常高的計算平臺，它是硬件和軟件都是可編程，所以縮寫為ACAP?！?/p>

從介紹材料了解到，Versal 產(chǎn)品組合基于臺積電（TSMC）的 7 nm FinFET 工藝技術(shù)，是第一個將軟件可編程性與特定領(lǐng)域硬件加速和靈活應(yīng)變能力相結(jié)合的平臺。該產(chǎn)品組合包括 6 個系列的器件，其獨特架構(gòu)針對云端、網(wǎng)絡(luò)、無線通信乃至邊緣計算和端點等不同市場的眾多應(yīng)用提供了可擴展性和 AI 推斷功能。

在產(chǎn)品工藝上，賽靈思實現(xiàn)了超越，無論英特爾如何稱贊自己的10nm工藝，臺積電的7nm都更被認可，何況英特爾10nm“難產(chǎn)”了。

除了基于臺積電先進的7nm工藝打造的Versal ACAP，顯示賽靈思產(chǎn)品改變的還有一款已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品——Alveo。Victor Peng通過三點解讀了這款加速卡的特殊性，第一是速度快；第二是架構(gòu)和算法靈活多變；第三是容易訪問、易于使用。

Victor Peng介紹Alveo

對英特爾產(chǎn)生威脅的除了產(chǎn)品之外還有產(chǎn)品背后的平臺和生態(tài)。在開發(fā)者大會上，Victor Peng表示，賽靈思已經(jīng)不再是一家FPGA企業(yè)，而是一家平臺公司，并且要超越FPGA來開發(fā)整個平臺。Alveo有一個很廣泛的生產(chǎn)系統(tǒng)和合作伙伴ISA，包括數(shù)據(jù)庫的加速、數(shù)據(jù)分析，視頻處理、金融服務(wù)、機器學(xué)習(xí)，已經(jīng)有14個應(yīng)用合作伙伴為Alveo平臺開發(fā)。

此外，在會上開發(fā)者們也看到了華為、浪潮基于賽靈思的FPGA打造自己的加速卡產(chǎn)品。

FPGA在人工智能推理上的“天賦異稟”賽靈思實現(xiàn)跳躍式發(fā)展還有一個機會是人工智能。分析師們認為FPGA是人工智能推理時代的“GPU”，背后的巨頭公司將成為下一個英偉達。賽靈思軟件及IP產(chǎn)品執(zhí)行副總裁Salil Raje指出：“今后AI模型必須應(yīng)用在云端和邊緣的模型上，所以未來的模式更多的是推斷，而不是訓(xùn)練。賽靈思關(guān)注的就是推斷?！?/p>

賽靈思軟件及IP產(chǎn)品執(zhí)行副總裁Salil Raje

GPU在人工智能的感知智能和認知智能前期獲得了巨大的成功，英偉達也借此實現(xiàn)公司股價的水漲船高。隨著認知智能的發(fā)展和推理智能的到來，GPU數(shù)據(jù)并行的體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了弊端，流水線并行的FPGA擁有更低的延遲特性。Salil Raje提到：“對CPU和GPU而言，內(nèi)存的帶寬非常關(guān)鍵，內(nèi)存就是一個瓶頸，對于大的結(jié)果來說，希望能夠一次上載和下載。CPU和GPU通過批量可以做高吞吐量或者是低延遲，但是沒有辦法兩者兼顧。FPGA來獲得高通量的方式是通過自定義數(shù)據(jù)流、自定義內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)和自定義精度來實現(xiàn)，所以有高吞吐量，同時還可以實現(xiàn)低延遲?！?/p>

同時實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量和低時延，加上FPGA現(xiàn)場可編程的特性，其在人工智能推理階段的前途被廣泛看好。

因此，賽靈思將戰(zhàn)略中心轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)上，拼的是FPGA的現(xiàn)在，廣泛關(guān)注人工智能推理則是押注未來。在數(shù)據(jù)洪流和人工智能推理時代的FPGA是沒有人敢小覷的，在FPGA深耕多年的賽靈思也就更無人敢忽視。正如Victor Peng所言：“我們起點很低，只要大家有熱情、有準(zhǔn)備，而且有非常高遠的目標(biāo)，隨著時間的推移，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)非常了不起的結(jié)果?！?/p>