FPGA全新構(gòu)架 FPGA與ASIC的完美結(jié)合

提起FPGA，可能很多人第一時(shí)間都會(huì)想到FPGA大廠賽靈思和Altera（已經(jīng)被英特爾收購(gòu)），然而其實(shí)還有其他的一些非常有特色的FPGA廠商，比如基于FPGA的硬件加速器件和高性能嵌入式FPGA（eFPGA）半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）公司Achronix。

得益于近年來(lái)人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，新的算法不斷的出現(xiàn)，這推動(dòng)了可編程的FPGA市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Semico Research的預(yù)測(cè)，AI應(yīng)用中FPGA的市場(chǎng)規(guī)模將在未來(lái)4年內(nèi)增長(zhǎng)3倍，達(dá)到52億美元。

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IP Nest近期發(fā)布的最新的IP市場(chǎng)分析報(bào)告顯示，Achronix是2018年全球增速最快的IP提供商，同比增長(zhǎng)達(dá)到了250%，足見(jiàn)Achronix業(yè)務(wù)增長(zhǎng)之迅速。而為了進(jìn)一步滿足人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）和高帶寬數(shù)據(jù)加速應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求，今年5月，Achronix公司推出了創(chuàng)新性的、全新的FPGA系列產(chǎn)品——Speedster 7t系列。

我們都知道，對(duì)于AI加速來(lái)說(shuō)，相較于我們常見(jiàn)的CPU、GPU等通用型芯片以及可編程的FPGA來(lái)說(shuō)，ASIC芯片的計(jì)算能力和計(jì)算效率都直接根據(jù)特定的算法的需要進(jìn)行定制的，所以其可以實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低、高可靠性、保密性強(qiáng)、計(jì)算性能高、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)。所以，在其所針對(duì)的特定的應(yīng)用領(lǐng)域，ASIC芯片的能效表現(xiàn)要遠(yuǎn)超CPU、GPU等通用型芯片以及可編程的FPGA。

但是，正如我們前面所提及的是，目前AI算法仍然處在一個(gè)不斷的快速更新迭代的階段，數(shù)值精度的可選擇性也越來(lái)越多。同時(shí)隨著AI的應(yīng)用場(chǎng)景快速發(fā)展演進(jìn)，新的解決方案都要去應(yīng)對(duì)在高性能、靈活和上市時(shí)間等方面的不同需求。

而AISC是針對(duì)特定的算法加速所設(shè)計(jì)的，這也使得其在靈活性上遠(yuǎn)不如可通過(guò)編程快速適應(yīng)新的軟件算法的FPGA。但是，F(xiàn)PGA在體積、能效、成本上卻又不如AISC。那么是否能夠有這樣一款產(chǎn)品，能夠很好的將FPGA和ASIC的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起呢？Achronix的Speedster 7t系列或許就是這樣一款產(chǎn)品。

Achronix稱，Speedster 7t系列是基于一種高度優(yōu)化的全新架構(gòu)，以其所具有的如同ASIC一樣的性能、可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的FPGA靈活性和增強(qiáng)功能，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的FPGA解決方案。

Achronix Semiconductor總裁兼首席執(zhí)行官Robert Blake表示：“Speedster7t是Achronix歷史上最令人激動(dòng)的發(fā)布，代表了建立在四個(gè)架構(gòu)代系的硬件和軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新和積淀，以及與我們領(lǐng)先客戶之間的密切合作。Speedster7t是靈活的FPGA技術(shù)與ASIC核心效率的融合，從而提供了一個(gè)全新的‘FPGA+’芯片品類，它們可以將高性能技術(shù)的極限大大提升?！?/span>

根據(jù)Achronix的介紹來(lái)看，Speedster7t FPGA系列產(chǎn)品是專為高帶寬應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其具有一個(gè)革命性的全新二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC，Network on Chip），以及一個(gè)高密度全新機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）模塊陣列。通過(guò)將FPGA的可編程性與ASIC的布線結(jié)構(gòu)和計(jì)算引擎完美地結(jié)合在一起，Speedster7t系列產(chǎn)品創(chuàng)造了一類全新的“FPGA +”技術(shù)。

同時(shí)，Speedster7t系列產(chǎn)品還包括了高帶寬GDDR6接口、400G以太網(wǎng)端口和PCI Express Gen5等接口，所有這一切單元都互相連接以提供ASIC級(jí)帶寬，同時(shí)保留FPGA的完全可編程性。

而為了應(yīng)對(duì)接收來(lái)自多個(gè)高速來(lái)源的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要將那些數(shù)據(jù)分發(fā)到可編程片上算法性和處理性單元中，然后以盡可能低的延遲來(lái)提供那些結(jié)果，所以在制程工藝上，Speedster7t器件選擇了采用臺(tái)積電最新的7nm FinFET工藝制造。

對(duì)于傳統(tǒng)的帶DSP模塊的FPGA來(lái)說(shuō)，其所能夠提供的AI性能是相對(duì)有限的，因?yàn)槭褂肈SP模塊只能提供不高效的數(shù)值精度支持，使用外部LUT和內(nèi)存構(gòu)建AI/ML應(yīng)用程序，需要消除額外邏輯編輯和內(nèi)存資源，性能也受FPGA布線限制。

相比之下，Speedster7t FPGA則采用了全新機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）中大規(guī)模的可編程計(jì)算單元平行陣列，它們可提供業(yè)界最高的、基于FPGA的計(jì)算密度。MLP是高度可配置的、計(jì)算密集型的單元模塊，每個(gè)MAC單元支持最多32個(gè)乘法器，可驅(qū)動(dòng)可變精度加法器/累加器，可支持4到24位的整點(diǎn)格式和高效的浮點(diǎn)模式，包括對(duì)TensorFlow的16位格式的支持，以及可使每個(gè)MLP的計(jì)算引擎加倍的增壓塊浮點(diǎn)格式的直接支持。

另外，每個(gè)MLP當(dāng)中還緊密耦合了內(nèi)存區(qū)塊，包括72K bits的RAM和2K bits的寄存器。這種運(yùn)算和存儲(chǔ)級(jí)鏈接，使得MLP在不需要使用FPGA布線資源的情況下，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的AI算法。此外，MLP還與嵌入式存儲(chǔ)器模塊緊密相鄰，通過(guò)消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中與FPGA布線相關(guān)的延遲，來(lái)確保以750 MHz的最高性能將數(shù)據(jù)傳送到MLP。

這種高密度計(jì)算和高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)合使得處理器邏輯陣列能夠提供基于FPGA的最高可用計(jì)算能力以每秒萬(wàn)億次運(yùn)算數(shù)量為單位（TOPS，Tera-Operations Per Second）。

高性能計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的關(guān)鍵之處是高片外存儲(chǔ)器帶寬，從而為多個(gè)數(shù)據(jù)流提供存儲(chǔ)源和緩沖。 Speedster7t器件是唯一支持GDDR6存儲(chǔ)器的FPGA，該類存儲(chǔ)器是具有最高帶寬的外部存儲(chǔ)器件。每個(gè)GDDR6存儲(chǔ)控制器都能夠支持512 Gbps的帶寬，Speedster7t器件中有多達(dá)8個(gè)GDDR6控制器，可以支持4 Tbps的GDDR6累加帶寬，并且以很小的成本就可提供與基于HBM的FPGA等效存儲(chǔ)帶寬。

“美光（Micron）樂(lè)于攜手Achronix去實(shí)現(xiàn)全球第一個(gè)面向高帶寬存儲(chǔ)需求而直接加載了GDDR6的FPGA產(chǎn)品，”美光計(jì)算與聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)部營(yíng)銷副總裁Mal Humphrey。“像這樣的創(chuàng)新的和可擴(kuò)展的解決方案將推動(dòng)人工智能領(lǐng)域內(nèi)的差異化，其中異構(gòu)計(jì)算可選方案與高性能的存儲(chǔ)是加速獲得數(shù)據(jù)內(nèi)涵的必需部分?！?/p>

除了這種超高吞吐量的存儲(chǔ)帶寬，Speedster7t器件還包括業(yè)界最高性能的接口端口，以支持極高帶寬的數(shù)據(jù)流。Speedster7t器件擁有多達(dá)72個(gè)業(yè)界最高性能的SerDes，可以達(dá)到1到112 Gbps的速度。還有帶有前向糾錯(cuò)（FEC）的硬件400G以太網(wǎng)MAC，支持4x 100G和8x 50G的配置，以及每個(gè)控制器有8個(gè)或16個(gè)通道的硬件PCI Express Gen5控制器。

“Achronix全新的Speedster7t FPGA系列產(chǎn)品是創(chuàng)新性芯片架構(gòu)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)的一個(gè)卓越案例，創(chuàng)造該架構(gòu)的目的是直接面向AI應(yīng)用處理大量的數(shù)據(jù)，” Semico Research公司ASIC和SoC首席市場(chǎng)分析師Rich Wawrzyniak說(shuō)道?！巴ㄟ^(guò)將數(shù)學(xué)函數(shù)、存儲(chǔ)器和可編程性整合到其機(jī)器學(xué)習(xí)處理器中，再結(jié)合交叉芯片、二維NoC結(jié)構(gòu)，從而形成了消除瓶頸和確保整個(gè)器件中數(shù)據(jù)自由流動(dòng)的絕佳方法。在AI / ML應(yīng)用中，內(nèi)存帶寬就是一切，Achronix的Speedster7t在這一領(lǐng)域提供了令人印象深刻的性能指標(biāo)?！?/p>