本文是作者于2019年9月在斯坦福大學(xué)進(jìn)行的三個(gè)小時(shí)討論的摘要。這篇文章結合了Zilog、Altera、Xilinx、Achronix、Intel、IBM、斯坦福、麻省理工、伯克利大學(xué)、威斯康星大學(xué)、Technion、Fairchild、貝爾實(shí)驗室、Bigstream、谷歌、DEC、SUN、諾基亞、SRI、日立、Silicom、Maxeler技術(shù)、VMware、施樂(lè )PARC、思科等組織在FPGA領(lǐng)域的經(jīng)驗。這些組織不負責內容，但可能在某種程度啟發(fā)了作者們的興趣，以使他們在FPGA領(lǐng)域經(jīng)歷了豐富多彩的旅程。
作者：Oskar Mencer等，譯者：Arvin，責編：王曉曼，頭圖來(lái)自：unsplash
FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）自誕生以來(lái)就一直在沖擊著(zhù)專(zhuān)用集成電路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）芯片界的神經(jīng)。在20世紀80年代中期，RossFreeman和他的同事從Zilog手中購買(mǎi)了這項技術(shù)，并著(zhù)手創(chuàng )辦了針對ASIC仿真和教育市場(chǎng)的Xilinx。（Zilog出自?？松梨谑凸?，因為在20世紀70年代，人們已經(jīng)開(kāi)始擔心石油會(huì )在30年后枯竭，這一點(diǎn)在今天仍然適用）。同時(shí)，Altera也以類(lèi)似的技術(shù)為核心成立。
FPGA是由電路編程的芯片，支持“仿真”該電路。這種仿真的運行速度比使用ASIC實(shí)現的實(shí)際電路運行速度慢——它的時(shí)鐘頻率更慢，使用更多的功率，但它可以每隔幾百毫秒重新編程一次。
制作ASIC的人們一開(kāi)始先使用FPGA來(lái)仿真ASIC，然后再將它們進(jìn)行掩碼處理并批量制造。英特爾、AMD和許多其他公司在制造芯片之前都會(huì )使用FPGA來(lái)仿真芯片。
一、觸動(dòng)電信業(yè)的神經(jīng)
電信行業(yè)一直是FPGA的主要用戶(hù)。電信標準不斷變化，建造電信設備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會(huì )占領(lǐng)最大的市場(chǎng)份額。由于A(yíng)SIC需要很長(cháng)時(shí)間才能完成，FPGA提供了一個(gè)捷徑。電信設備的最初版本一般采用FPGA，但FPGA高昂的價(jià)格引發(fā)了沖突。盡管FPGA的價(jià)格對ASIC仿真市場(chǎng)無(wú)關(guān)緊要，但對電信行業(yè)而言，芯片的價(jià)格卻很重要。許多年前，AT＆T和朗訊制造了自己的FPGA，稱(chēng)為ORCA（優(yōu)化的可重配置單元陣列），但就硅片的速度或尺寸而言，它們與Xilinx或Altera相比不具有競爭力。
如今，華為已成為FPGA的最大客戶(hù)。華為兩年前即提供了世界上最早的5G電信設備解決方案，相較于其他供應商處于明顯優(yōu)勢，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會(huì )導致產(chǎn)于美國的FPGA影響華為提供5G電信設備。
二、FPGA價(jià)格觸及神經(jīng)
早期，FPGA被用于SDR（軟件定義的無(wú)線(xiàn)電）——在同一時(shí)間建立多個(gè)不同標準的無(wú)線(xiàn)電通信，本質(zhì)上是一部講多種語(yǔ)言的單一電話(huà)。這一次，FPGA挑動(dòng)了一個(gè)巨大的神經(jīng)。
SDR技術(shù)的實(shí)施方式存在分歧。商業(yè)供應商開(kāi)發(fā)了經(jīng)濟高效的解決方案，如今地球上的每個(gè)基站都有SDR技術(shù)。另一方面，在國防界，SDR是由大型國防承包商建造的，他們用有利可圖的傳統產(chǎn)品線(xiàn)來(lái)建造。其結果是基于FPGA的無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品價(jià)格非常高，以至于美國部分國防市場(chǎng)對使用FPGA產(chǎn)生了持續的過(guò)敏反應。
接下來(lái)，FPGA試圖在DSP（數字信號處理器）和嵌入式市場(chǎng)中發(fā)展。在角落里有一些微處理器的FPGA開(kāi)始出現。銷(xiāo)售這些新型FPGA的壓力太大，以至于如果客戶(hù)拒絕新的芯片系列，它們將被列入黑名單，有時(shí)甚至會(huì )拒絕提供服務(wù)好幾個(gè)月。鑒于FPGA產(chǎn)品具有巨大的覆蓋率和知識產(chǎn)權層而無(wú)法降低其價(jià)格，因此，發(fā)展FPGA市場(chǎng)的壓力一直是巨大的，FPGA公司征服新市場(chǎng)失敗的規模也是如此。
三、觸動(dòng)HPC和數據中心的神經(jīng)
在過(guò)去的幾年里，FPGA一直試圖在HPC（高性能計算）和數據中心市場(chǎng)發(fā)展。2017年，微軟宣布在數據中心使用Altera FPGA，而英特爾則收購了Altera。2018年Xilinx公司宣布其“數據中心優(yōu)先”戰略，Xilinx首席執行官在眾多分析師面前宣布Xilinx不再是一家FPGA公司了。這可能是一種輕微的戲劇化表現，但從歷史上看是有關(guān)聯(lián)的。
在高性能計算機和數據中心使用FPGA時(shí)，目前的主要障礙是布局和布線(xiàn)——運行專(zhuān)有FPGA供應商軟件將電路映射到FPGA元件所花費的時(shí)間，在大型FPGA和高速CPU服務(wù)器上，布局和布線(xiàn)需要長(cháng)達三天，而且很多時(shí)候即使在使用三天后，很多軟件仍無(wú)法解決映射問(wèn)題。
四、觸動(dòng)石油和天然氣的神經(jīng)
在石油和天然氣實(shí)施領(lǐng)域中，2007年左右出現了一個(gè)利基市場(chǎng)。傳統計算機模擬地球上的鉆孔以發(fā)現石油所花費的時(shí)間比實(shí)際建造的鉆井場(chǎng)地和鉆井本身還要長(cháng)，FPGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒時(shí)序。石油公司數據中心中的第一個(gè)FPGA，用于計算地震圖像，由MaxelerTechnologies制造，并交付給Chevron。
幾年來(lái)，FPGA在石油和天然氣領(lǐng)域的應用不斷擴大，直到來(lái)自ASIC行業(yè)的壓力導致CPU技術(shù)回歸標準化。如今，石油和天然氣中的預測和模擬仍然很重要，地震成像大多在CPU和GPU上完成，但FPGA的機會(huì )仍然存在。我們需要注意的是，“今天的新事物是明天的遺產(chǎn)”，當然，如今的新事物是對AI和數據的關(guān)注。
盡管如此，FPGA仍然是一種快速進(jìn)入市場(chǎng)的方式，是獲得競爭優(yōu)勢的簡(jiǎn)單方法以及在許多關(guān)鍵任務(wù)情況下必不可少的技術(shù)——盡管與ASIC相比，芯片價(jià)格昂貴。然而，在與CPU或GPU上運行軟件相比，在HPC和數據中心中，FPGA的運營(yíng)成本大大降低。與CPU和GPU相比，所需的FPGA更少，所需的冷卻也更少。FPGA使得數據中心規模更小，這觸及了運營(yíng)商擔心數據中心可能會(huì )縮小的神經(jīng)。
五、ASIC與FPGA
使用FPGA的另一種方法是增強ASIC。構建ASIC的目的是保持固定功能，同時(shí)添加FPGA，為產(chǎn)品的最新更改或適應不同市場(chǎng)提供一定的靈活性。
現代FPGA集成了越來(lái)越多的硬功能，變得越來(lái)越像ASIC，而ASIC有時(shí)會(huì )在其設計中添加一些FPGA結構，用于調試、測試、現場(chǎng)修復以及根據需要靈活地添加少量功能。
盡管如此，ASIC團隊一直在與FPGA概念抗爭。ASIC設計師問(wèn)：“您想要什么功能？”如果回答是“我還不知道”，他們會(huì )很不耐煩。
無(wú)人駕駛汽車(chē)行業(yè)就是這樣一個(gè)新的戰場(chǎng)。由于算法不斷變化，并且法律法規可能會(huì )在汽車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)發(fā)生變化，需要駕駛員更新，因此解決方案需要靈活。FPGA的時(shí)鐘頻率較低，散熱片較小，因此物理尺寸比CPU和GPU小。更低的功耗和更小的尺寸使FPGA成為顯而易見(jiàn)的選擇。盡管如此，GPU易于編程，并且不需要三天時(shí)間來(lái)實(shí)現布局和路線(xiàn)，因此對FPGA形成了一定挑戰。
此外，至關(guān)重要的是能夠在汽車(chē)和云中運行相同的代碼（主要用于模擬和測試），因此FPGA必須先在云中使用，然后才能在汽車(chē)中使用。由于這些原因，許多開(kāi)發(fā)人員更喜歡GPU。
六、FPGA的發(fā)展
FPGA在不斷發(fā)展?，F代接口正試圖使FPGA更易于編程，更加模塊化，并與其它技術(shù)更加協(xié)作。FPGA支持AXI（高級可擴展接口）總線(xiàn)，這使它們更易于編程，但也帶來(lái)了極大的效率低下，使得FPGA的性能降低，最終競爭力大大降低。學(xué)術(shù)工作方面，例如Eric Chung的關(guān)于“FPGA動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )”的論文有助于解決路由問(wèn)題，但這種先進(jìn)的思想尚未被業(yè)界所接受。
FPGA如何實(shí)現連接？對于具有大量數據流的HPC工作負載，可以使用PCI Express并部署通信隱藏技術(shù)。但是，像NFV（網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化）這樣的小型工作負載如何能同時(shí)為大量用戶(hù)提供服務(wù)呢。通常，對于NFV和虛擬機加速而言，FPGA必須直接連接到CPU，并可能使用緩存一致性作為一種通信機制，這是VMware最近研究的結果。當然，關(guān)鍵的功能是具備FPGA崩潰時(shí)CPU不崩潰的能力，反之亦然。超標量技術(shù)公司正在重新發(fā)現IBM大型機的時(shí)代需求，從而將越來(lái)越多的復雜性帶入標準化平臺。
其它組織也有機會(huì )。在提供FPGA平臺時(shí)，組織無(wú)需進(jìn)行ASIC開(kāi)發(fā)的預算，也無(wú)需了解最新的硅制造挑戰和解決方案，便可以開(kāi)發(fā)電路，并在其產(chǎn)品中建立競爭優(yōu)勢，例如物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )邊緣的新興計算機會(huì )，靠近傳感器、顯示器、或在數據流過(guò)時(shí)直接在線(xiàn)計算。
同時(shí)，FPGA公司正在垂直向上推堆棧，并將其推入CPU插槽，英特爾在該市場(chǎng)上占據主導地位，其中包括針對NFV的特殊指令。數據中心中新CPU和FPGA進(jìn)入的主要障礙不僅在于速度和成本，還在于所有可能的I/O設備的軟件和驅動(dòng)程序的可用性。
使FPGA在數據中心中工作的關(guān)鍵是使其易于使用——例如，使用自動(dòng)工具來(lái)驅動(dòng)FPGA的使用而不會(huì )產(chǎn)生布局和布線(xiàn)困難。微軟率先在超標量數據中心中使用FPGA來(lái)加速Bing、NFV和AI算法。Microsoft還構建了抽象，特定于領(lǐng)域的語(yǔ)言和靈活的硬件基礎設施。在商業(yè)上，FPGA的主要問(wèn)題是上市策略。
構建新芯片然后開(kāi)始考慮該軟件可能為時(shí)已晚。如何通過(guò)調整硬件來(lái)適配軟件以及從現有軟件中獲取價(jià)值？這也帶來(lái)了重新思考FPGA架構的機會(huì )。但是，值得警告的是：硅產(chǎn)業(yè)正在吞噬現金。構建ASIC是一種撲克游戲，多年來(lái)賭注不斷增加。這是一場(chǎng)贏(yíng)家通吃的比賽，FPGA之類(lèi)的威脅在比賽初期就被淘汰。
FPGA正在為硅產(chǎn)業(yè)帶來(lái)額外的突增風(fēng)險。
七、利基技術(shù)
軟件設計師總是會(huì )說(shuō)，“如果它能在軟件中實(shí)現，它就會(huì )在軟件中實(shí)現”，而ASIC設計師會(huì )說(shuō)，“如果它能在A(yíng)SIC中實(shí)現，它就會(huì )在A(yíng)SIC中完成?！弊钣腥さ氖?，“如果可以用軟件完成，那么你就不必和那些像FPGA一樣思考的人打交道?！迸c制造ASIC所需的龐大“軍隊”以及世界范圍內的軟件程序員的數量相比，FPGA擁有一個(gè)很小的社區，其中包含許多有時(shí)表現古怪的程序員。FPGA公司規模較小。FPGA社區也較小。
英特爾正在推動(dòng)FPGA的靈活性。它遵循構建硬件以運行現有軟件的原則，并成為這一領(lǐng)域最成功的公司。
FPGA可以比CPU和GPU更快，但是行業(yè)和投資界的艱難教訓是，在計算機存在的大部分時(shí)間里，速度無(wú)關(guān)緊要，而實(shí)時(shí)性也無(wú)關(guān)緊要。因此，很少有僅為了速度而購買(mǎi)計算機。確實(shí)有這種情況，但這更多是隨機事件，而不是一個(gè)建立業(yè)務(wù)的市場(chǎng)。另外，FPGA沒(méi)有標準、開(kāi)源、友好的編程模型——因此，對于在所有FPGA芯片上均可工作或易于交叉編譯的FPGA程序，也沒(méi)有標準的市場(chǎng)。Maxeler Technologies可以提供此類(lèi)接口作為一種高級解決方案，但廣泛的行業(yè)采用需要信任。為了從早期采用者發(fā)展到讓所有人受益，信任需要數據中心領(lǐng)域中既有供應商的協(xié)調和支持。
現實(shí)世界中的應用程序人員說(shuō)：“我不在乎它是什么，只是給我一種方法去做我想做的事情就行了?！鄙形磸V泛探索的FPGA可能有哪些應用領(lǐng)域？對于實(shí)時(shí)計算、制造業(yè)、無(wú)人機的計算機視覺(jué)，這是FPGA的重量和功耗優(yōu)勢能展現的地方。在衛星上進(jìn)行硬件升級是非常昂貴的，因此FPGA提供了至關(guān)重要的長(cháng)期靈活性。FPGA需要找到一種能產(chǎn)生共鳴的產(chǎn)品，并且它們必須易于編程，不只是硬件或軟件，還包括生態(tài)系統。這是完整的解決方案。
超越當前市場(chǎng)限制的一種方法是實(shí)時(shí)編譯和自動(dòng)FPGA程序生成。這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，但隨著(zhù)AI破壞了應用程序空間，機會(huì )越來(lái)越多。如今，一切都由AI完成。甚至諸如石油和天然氣地震成像之類(lèi)的傳統算法也都采用了AI。我們需要用科學(xué)和工程解決方案來(lái)處理AI。FPGA可能是一個(gè)很好的起點(diǎn)，可能最初是連接AI模塊，然后將它們整合到FPGA架構中，例如Xilinx的下一代芯片——帶有AI架構、CPU、100G接口和FPGA單元都集成在同一個(gè)7納米芯片中。
從另一個(gè)角度來(lái)看，隨著(zhù)AI芯片產(chǎn)生并消耗大量數據，我們將需要FPGA來(lái)滿(mǎn)足需求并能迅速轉移輸出。隨著(zhù)用于所有AI處理的新型ASIC的面世，FPGA可以為AI芯片公司提供差異化服務(wù)。
八、預測
我們是否可以提前10或25年預測下述發(fā)展？盡管世界在變化，但預測似乎保持不變。
1. 將會(huì )有成功的CPU+ FPGA服務(wù)器芯片，或直接訪(fǎng)問(wèn)CPU緩存層次結構的FPGA。有人說(shuō)會(huì )有，有人說(shuō)不會(huì )有。
2. SoC（片上系統）FPGA芯片將不斷發(fā)展壯大，推動(dòng)醫療、下一代電信和汽車(chē)行業(yè)等。
3. 開(kāi)發(fā)人員將使用FPGA做一些令人驚奇的事情，讓世界變得更美好，但必須掩蓋內部存在FPGA的事實(shí)。
4. 將保留FPGA的名字，并制造被稱(chēng)為FPGA的芯片，但內部的一切將完全不同。
5. 當我們放棄（數據流）優(yōu)化以使FPGA易于編程時(shí)，FPGA的性能將降低，因此它們將不再與CPU競爭，而CPU總是更易于編程。
6. 將有具有動(dòng)態(tài)路由、演進(jìn)互動(dòng)以及運行時(shí)靈活的數據移動(dòng)的FPGA。
7. 放置和布線(xiàn)軟件以及FPGA頂部的完整軟件堆棧將是開(kāi)源的。Yosys和Lattice FPGA已經(jīng)開(kāi)始努力。
8. 所有半導體架構都將與TPU、GPU、CPU、ASIC和FPGA組合成單個(gè)芯片。一些可能是每個(gè)整體的組合，其它將是每個(gè)部分的組合。
9. 更多的芯片將集中在有限的應用空間上，而更少的集中在通用芯片上。從某種意義上說(shuō)，一切都變成了SoC。
九、評論
本文解決了多少個(gè)沖突，并創(chuàng )造了多少個(gè)新沖突？從這個(gè)意義上講，沖突是對現有工作方式的挑戰。這種現有的做事方式可能會(huì )影響人們的思維方式，從而影響他們的行為方式。但也許更重要的是，這將影響開(kāi)發(fā)者的謀生方式。
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