深度學(xué)習(xí)加持，F(xiàn)PGA前景可人 - FPGA的過去，現(xiàn)在和未來

深度學(xué)習(xí)加持，F(xiàn)PGA前景可人

根據(jù)英特爾的預(yù)測(cè)，他們計(jì)劃從現(xiàn)在到2023年以接近直線增長率來提升FPGA的業(yè)務(wù)。對(duì)此我們總是抱有懷疑的態(tài)度。但FPGA業(yè)務(wù)隨著時(shí)間的推移或多或少地在增長（比15年前增長約2.5倍）。

英特爾還預(yù)計(jì)，F(xiàn)PGA的營收在2014年到2023年之間將會(huì)再翻一倍。按照英特爾預(yù)測(cè)，從2014年到2023年間其復(fù)合年增長率為7％，其收入應(yīng)該略低于預(yù)測(cè)的89億美元。有趣的是，由于英特爾的預(yù)測(cè)并沒有把來自數(shù)據(jù)計(jì)算中心（服務(wù)器，交換和網(wǎng)絡(luò)）的FPGA收入份額納入計(jì)劃中，這將會(huì)發(fā)生很大變化。讓我們分析一下：

如果Altera和Xilinx的市場份額沒有發(fā)生改變，且假設(shè)Altera的收入在網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算和存儲(chǔ)的部分保持不變，那么Altera這一部分的業(yè)務(wù)收入到2023年將會(huì)達(dá)到5.6億美元左右。我們認(rèn)為Intel這樣的數(shù)據(jù)低估了數(shù)據(jù)中心在提供更有效和靈活計(jì)算所面對(duì)的壓力。不給過我們認(rèn)為FPGA的前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這個(gè)預(yù)測(cè)。也就是說，許多FPGA技術(shù)的支持者一直期待FPGA在數(shù)據(jù)中心中獲得計(jì)算合法化的那天很快到來。

諷刺的是，英特爾本身作為FPGA的編程專家，硬件描述語言的使用者，以及知名的ASIC制造商，竟成為推動(dòng)FPGA成為加速器優(yōu)先選擇的主要參與者。這樣的加速器既能作為獨(dú)立的離散計(jì)算元件，又可以作為混合 CPU-FPGA器件。

這也是為什么從2016年以來，我們看到所有關(guān)于Altera的新聞都是昭示FPGA將會(huì)有的大規(guī)模增的增長。所以至少在短期，他們除了為其他的FPGA制造商作嫁衣裳，幾乎別無他法。

這次收購不僅是FPGA發(fā)展的里程碑，也是英特爾對(duì)FPGA巨大的潛力的承認(rèn)。FPGA作為未來強(qiáng)大的計(jì)算加速器，不但影響主要企業(yè)的決策和市場趨勢(shì)，而且加速企業(yè)中的工作負(fù)載，促進(jìn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部搜索，以及提高高性能計(jì)算模擬的地位。

在跨越2017年之際，F(xiàn)PGA在應(yīng)用程序中等級(jí)中新增了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，這給FPGA產(chǎn)業(yè)敲下了又一重錘。

為什么大家都青睞FPGA

首先，編程FPGA的軟件棧已經(jīng)演進(jìn)了，尤其是在Altera的幫助下，F(xiàn)PGA增加了對(duì)OpenCL開發(fā)環(huán)境的支持。但不是每個(gè)人都是OpenCL的狂熱粉絲。

先有Nvidia為其Tesla GPU加速器創(chuàng)建了自己的CUDA并行編程環(huán)境。再有SRC計(jì)算機(jī)公司不但早在2002年就為國防和智能領(lǐng)域提供混合CPU-FPGA系統(tǒng)，到了2016年年中，進(jìn)一步將自己研發(fā)的Carte編程環(huán)境進(jìn)入了商業(yè)市場，這個(gè)編程環(huán)境可以使C和Fortran程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為FPGA的硬件描述語言（HDL）。

另一個(gè)推動(dòng)FPGA被采用的因素是隨著芯片制造技術(shù)難以持續(xù)縮進(jìn)，多核CPU性能的提高越來越艱難。 雖然CPU的性能獲得了大跳躍，但主要用于擴(kuò)展CPU的性能吞吐量，而不是單個(gè)CPU內(nèi)核的個(gè)體性能。（我們知道架構(gòu)增強(qiáng)是有難度的）。但是FPGA和GPU加速器的每瓦性能都有了令人信服的改進(jìn)。

根據(jù)微軟的運(yùn)行測(cè)試，在執(zhí)行深度學(xué)習(xí)算法的時(shí)候，CPU-FPGA和CPU-GPU混合計(jì)算在的每瓦性能也不相伯仲。GPU在運(yùn)行中更熱和有類似的每瓦性能表現(xiàn)，但是同時(shí)他們也帶來了更強(qiáng)的工作能力。

提高了每瓦性能解析了為什么世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)90年代后期轉(zhuǎn)移到并行集群，并且解析了為什么現(xiàn)在他們轉(zhuǎn)向了混合機(jī)器，而不是英特爾的下一個(gè)以 CPU-GPU為混合主力的Xeon Phi的處理器“Knights Landing （簡稱KNL）。

在Altera FPGA協(xié)處理器和Xeon Phi處理器Knights Landing的幫助下，英特爾不但可以保持自己的在高端的競爭優(yōu)勢(shì)。并且在與Nvidia 、IBM和 Mellanox組成的Open power聯(lián)盟競爭中繼續(xù)領(lǐng)先。

英特爾堅(jiān)信超大規(guī)模計(jì)算，云端和HPC市場的工作負(fù)載會(huì)快速成長。為促進(jìn)其計(jì)算業(yè)務(wù)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。這情況下只能成為FPGA的賣家，否則別人就會(huì)搶去這唯一的出路。

但英特爾并不是這樣跟大家說。他們說：“我們不認(rèn)為這是一種防守戰(zhàn)或者其他，”英特爾的CEO Brian Krzanich在Altera收購消息后的新聞發(fā)布會(huì)上說。

“我們認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心都是龐大的。這些也是我們的客戶想要構(gòu)建的產(chǎn)品。我們30％的云端工作負(fù)載將在這些產(chǎn)品上，這是基于我們對(duì)如何看待趨勢(shì)變化以及市場發(fā)展的預(yù)測(cè)。

這是用來證明這些工作負(fù)載能以一種或另一種方式轉(zhuǎn)移到硅中。我們認(rèn)為最好的做法是使用有業(yè)界最佳性能和成本優(yōu)勢(shì)的Xeon處理器和FPGA組合。這將給工業(yè)領(lǐng)域帶來更好的產(chǎn)品和性能。而在IoT中，這將擴(kuò)展到潛在市場對(duì)抗ASIC和ASSP；而在數(shù)據(jù)中心中，則會(huì)將workload轉(zhuǎn)移到硅，推動(dòng)云的快速增長。

Krzanich解釋道：“你可以把FPGA想象成一堆gate，且能夠隨時(shí)編程。根據(jù)他們的想法，其算法會(huì)隨著時(shí)間的推移和學(xué)習(xí)變得更聰明。FPGA可以用作多個(gè)領(lǐng)域的加速器，可以在進(jìn)行加密的同時(shí)進(jìn)行面部搜索，而且能在基本上在微秒內(nèi)重新編程FPGA。這比大規(guī)模的單個(gè)定制部件的成本低得多且具備更高的靈活性?！?/p>

英特爾看到了更大的機(jī)會(huì)

英特爾看到了比這更大的機(jī)會(huì)。

Intel首席執(zhí)行官Brian Krzanich在收購?fù)瓿珊笮?，?020年，將有高達(dá)三分之一的云端服務(wù)提供商使用混合的CPU-FPGA服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，這是一個(gè)令人震驚的消息。這也給從2014年底就開始瞄準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心的Altera帶來大約10億美元的FPGA的機(jī)會(huì)。這數(shù)目大概是Nvidia目前流行的Tesla計(jì)算引擎營收的三倍。

在2014年初，英特爾展示了一個(gè)相同封裝的Xeon-FPGA芯片原型，并且打算在2017年推出這個(gè)芯片。這是基于當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)中心集團(tuán)GM Diane Bryant提出的一個(gè)帶有FPGA電路的Xeon設(shè)想不久之后推出的。

在宣布Altera交易的電話會(huì)議上，Krzanich沒有說明退出這款Xeon-FPGA設(shè)備的時(shí)間，但是他表示英特爾將創(chuàng)建一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)市場的單die混合Atom-FPGA設(shè)備。英特爾正在考究在混合過渡階段，是否需要為Atom和Altera FPGA做單一封裝混合。

在2016年的初太平洋頂峰證券的電話會(huì)議中，英特爾的云端基礎(chǔ)設(shè)施集團(tuán)總經(jīng)理Jason Waxman與研究分析師討論關(guān)于英特爾數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)時(shí)表示，F(xiàn)PGA已經(jīng)成為了熱門話題。

首先，雖然他沒有指名道姓哪家廠商或者任何設(shè)備的規(guī)格，但是Waxman確定英特爾已經(jīng)為某些客戶提供了Xeon加FPGA的混合計(jì)算引擎樣品。

在會(huì)議期間，Waxman更是暢談了驅(qū)動(dòng)英特爾收購Altera和插足可編程計(jì)算設(shè)備的原因。 英特爾顯然希望讓FPGA成為主流，即使這可能會(huì)在數(shù)據(jù)中心中蠶食Xeon的某些業(yè)務(wù)。 （我們認(rèn)為，因?yàn)橛⑻貭栒J(rèn)為這種自相殘殺是不可避免的，控制它的最好方法是使FPGA成為Xeon陣容的一部分。）

Waxman說：“我認(rèn)為這項(xiàng)收購可能涉及許多事情，而且其中一些已經(jīng)超越數(shù)據(jù)中心集團(tuán)的范圍?！?/p>

首先，一個(gè)潛在的核心業(yè)務(wù)往往是由制造領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng)。在這方面我們能很好的掌控，而且這樣做還有良好的協(xié)同作用。

再者，還有物聯(lián)網(wǎng)“集團(tuán)”對(duì)此也有很強(qiáng)的興趣。

據(jù)我們所知，某些大規(guī)模工作負(fù)載的擴(kuò)展（如機(jī)器學(xué)習(xí)，某些網(wǎng)絡(luò)功能）吸引了越來越多的人關(guān)注。我們才意識(shí)到我們或者可以在性能方面取得一些突破，這將是一個(gè)把FPGA從數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序中移植到更多適合的、廣泛發(fā)展領(lǐng)域的良好機(jī)會(huì)。

但是在數(shù)據(jù)中心集團(tuán)里的協(xié)作，F(xiàn)PGA不過是給CPU做個(gè)伴，幫助解決云端服務(wù)提供商和其他類型的大規(guī)模應(yīng)用程序的問題。

英特爾認(rèn)為對(duì)FPGA加速有優(yōu)先和大量需求的關(guān)鍵應(yīng)用包括機(jī)器學(xué)習(xí)，搜索引擎索引，加密和數(shù)據(jù)壓縮。正如Waxman指出，這些往往是很有針對(duì)性的，且沒有統(tǒng)一的使用案例。這就是Krzanich斬釘截鐵說三分之一的云端服務(wù)提供商將在五年內(nèi)使用FPGA加速的依據(jù)。