三十年前，當(dāng)CPU的性能開始滿足不了人類日益增長的計(jì)算需求時(shí)，GPU誕生了，用來加速計(jì)算機(jī)對(duì)圖形圖像的處理，于是出現(xiàn)了專門用于三維圖形設(shè)計(jì)的專業(yè)級(jí)圖形工作站。這是計(jì)算機(jī)工程師第一次使用硬件協(xié)處理器來加速CPU處理圖形圖像數(shù)據(jù)。
如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展，以及與此相關(guān)應(yīng)用的逐漸深入，互聯(lián)網(wǎng)正在從傳統(tǒng)和單一網(wǎng)絡(luò)向復(fù)雜、多服務(wù)、多網(wǎng)絡(luò)、多基礎(chǔ)和大平臺(tái)方向的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，市場對(duì)CPU差異化的計(jì)算需求越來越強(qiáng)烈，同時(shí)伴隨整體互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，硬件的軟件化趨勢也日益明顯。另一方面，深亞微米時(shí)代，傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)乃至工藝都在趨于極限狀態(tài)，摩爾定律也已有些捉襟見肘。如果繼續(xù)采用在更小的面積上集成更多的晶體管的方式來提升CPU性能，已經(jīng)變得越來越難以實(shí)現(xiàn)。那么，CPU下一步方向在哪里？
六年前，賽靈思率先發(fā)布了集成ARM Cortex-A9CPU和28nmFPGA的可擴(kuò)展式處理平臺(tái)(Extensible Processing Platform)架構(gòu)，該架構(gòu)顛覆了以前以FPGA為中心，CPU為輔的理念。以CPU為主，F(xiàn)PGA為輔。CPU可單獨(dú)啟動(dòng)。這也是計(jì)算機(jī)工程師第一次在CPU芯片旁邊專門設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA芯片，用于加速CPU來完成一些專業(yè)性的計(jì)算任務(wù)。
從計(jì)算方式看，F(xiàn)PGA和GPU有點(diǎn)類似，都是并行計(jì)算。但不同之處在于，F(xiàn)PGA更加靈活，具有可編程性，企業(yè)可以根據(jù)需求將FPGA設(shè)計(jì)成不同功能的專用芯片，而且可重復(fù)利用。目前，F(xiàn)PGA已經(jīng)在高性能、多通道領(lǐng)域代替ASIC 和DSP。Intel 在Computex2015 上展示了大量基于FPAG 的物聯(lián)網(wǎng)的方案，例如在安防、工業(yè)自動(dòng)化和智能家居，F(xiàn)PGA 的并行計(jì)算在多通道處理方面可以對(duì)傳統(tǒng)的ASIC 方案進(jìn)行優(yōu)化。
通過采用CPU+FPGA架構(gòu)，可以很好的解決CPU發(fā)展過程中所面臨的問題。首先，這種架構(gòu)能很好的突破因CPU性能接近極限而帶來的計(jì)算性能瓶頸。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，CPU既要負(fù)責(zé)控制處理，也要參與計(jì)算，而且為了滿足對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的計(jì)算需求，CPU被設(shè)計(jì)為串行計(jì)算模式，成為一種通用處理器，而串行計(jì)算的效率遠(yuǎn)不如并行計(jì)算來的快，但有了FPGA作為協(xié)處理器，在一些專業(yè)的計(jì)算領(lǐng)域，則可以讓CPU更加專注于控制，而將復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)交給FPGA來完成。
目前，F(xiàn)PGA已經(jīng)被證明在很多領(lǐng)域都比CPU更具有計(jì)算優(yōu)勢。比如在視頻應(yīng)用中，F(xiàn)PGA芯片可以在個(gè)人電腦平臺(tái)上提供高達(dá)10～100倍的處理能力，比如T620E 高清兩路DVI/VGA/HDMI音視頻采集卡，F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)的5-Tap縮放和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行技術(shù)進(jìn)一步保障了畫質(zhì)，耗用CPU時(shí)間的縮放和去隔行等圖像處理在FPGA內(nèi)完成，極大的減少了CPU的負(fù)擔(dān)，同時(shí)高效率 DMA傳輸方式進(jìn)一步解放了CPU的能力，從而讓CPU專注與用戶指定的工作。
在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 擁有并行計(jì)算優(yōu)勢，在高性能、多通道領(lǐng)域可以代替部分ASIC 和DSP。Intel 在Computex2015 上展示了大量基于FPAG 的物聯(lián)網(wǎng)的方案，例如在安防、工業(yè)自動(dòng)化和智能家居，F(xiàn)PGA 的并行計(jì)算在多通道處理方面可以對(duì)傳統(tǒng)的ASIC 方案進(jìn)行優(yōu)化。而隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，F(xiàn)PGA這種極具靈活性的嵌入式產(chǎn)品非常適合于特定專業(yè)功能的智能化功能需求。
在大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，F(xiàn)PGA也極具優(yōu)勢。以搜索為例，早在2012年，微軟研究院的Doug Burger向Bing搜索業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人陸奇提出了一個(gè)激進(jìn)的想法：用現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）替代Bing服務(wù)器使用的傳統(tǒng)x86處理器。他將這個(gè)項(xiàng)目稱之為Project Catapult，并認(rèn)為使用FPGA芯片將可以提高Bing搜索速度，改變微軟運(yùn)行在線服務(wù)的方式。而在2014年8月，微軟正式推出了“Catapult”的構(gòu)件，大幅提升微軟旗下搜索引擎必應(yīng)(Bing)的搜索性能，而其核心就是內(nèi)置有一個(gè)專門的可重復(fù)編程芯片。到了2015年，微軟將這一技術(shù)應(yīng)用到自家所有數(shù)據(jù)中心。與此同時(shí)，百度也宣布開始使用FPGA處理器替代x86處理器加速搜索，這也是為什么2015年英特爾花費(fèi)167億美金收購Altera的一個(gè)重要原因。除提到的這些領(lǐng)域之外，F(xiàn)PGA在機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別等這些智能化時(shí)代不可或缺的核心領(lǐng)域都有著CPU不可比擬的優(yōu)勢。
近日，英特爾CEO科再奇在談及英特爾未來的戰(zhàn)略時(shí)也提到：存儲(chǔ)和可編程解決方案（如FPGA）將是未來英特爾發(fā)展的一大核心，英特爾將繼續(xù)為數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)帶來全新級(jí)別的產(chǎn)品，通過繼續(xù)在高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)能力方面不斷創(chuàng)新，加快實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的力量和價(jià)值。個(gè)人認(rèn)為，在英特爾收購Altera之后，其最重要的一步戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型已經(jīng)完成，通過深入整合CPU+FPGA架構(gòu)，使得英特爾能在新一輪工業(yè)化變革中占據(jù)一個(gè)有利地形，繼續(xù)實(shí)踐摩爾定律。
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本文標(biāo)題：延續(xù)摩爾定律，F(xiàn)PGA與CPU走向融合
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