FPGA+OpenCL雙劍合璧助力Altera進(jìn)軍數(shù)據(jù)中心

半導(dǎo)體行業(yè)的趨勢(shì)是什么?在當(dāng)前科技日新月異、需求層出不窮的背景下，芯片廠商如何找準(zhǔn)自己的定位以不被時(shí)代淘汰?近日，EEWORLD記者有幸借助在硅谷舉辦的euroasia PRESS 拜訪Altera公司總部，并從Altera公司總裁、CEO兼董事會(huì)主席John Daane先生以及Altera高級(jí)副總裁Jeff Waters先生那里得到了他們的答案。

圖1 Altera公司總裁、CEO兼董事會(huì)主席John Daane先生

迎合半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)，Altera蓄勢(shì)待發(fā)

Daane已經(jīng)在Altera擔(dān)任CEO一職近14年，而這幾乎是Altera公司31年歷史的一半，也見證了Altera從CPLD到FPGA再到SoC的華麗轉(zhuǎn)身。Daane回憶說(shuō)：“在2003年11月的一個(gè)國(guó)際會(huì)議上我就說(shuō)過(guò)，行業(yè)在改變，為了應(yīng)對(duì)持續(xù)增加的設(shè)計(jì)成本，具有可編程功能的設(shè)備將更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，那時(shí)有人當(dāng)面質(zhì)疑我的觀點(diǎn)。11年過(guò)去了，時(shí)間證明‘可編程’的趨勢(shì)已經(jīng)發(fā)生，并且還將繼續(xù)在更多領(lǐng)域發(fā)酵，并最終替代ASSP和ASIC。”

除了可編程性之外，Daane還總結(jié)了半導(dǎo)體行業(yè)的4大趨勢(shì)：持續(xù)增加的研發(fā)成本、更大的差異化、無(wú)限的帶寬以及嚴(yán)格的系統(tǒng)功率要求。

Daane舉例說(shuō)：“我投資1.3億美元去研發(fā)一個(gè)28 nm的芯片，投入包括EDA工具和工作站等。如果你將公司營(yíng)收額的20%進(jìn)行研發(fā)，你可能得到5倍的回報(bào)。近幾年，Altera研發(fā)投入都保持每年增長(zhǎng)30%。2013年，Altera的營(yíng)收額達(dá)17.32億美元，研發(fā)投入就高達(dá)3.85億美元。鑒于經(jīng)濟(jì)逐漸向好，Altera在2014年表現(xiàn)搶眼，其中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起了很大的推動(dòng)作用，而最大的刺激來(lái)自無(wú)線和工業(yè)。2014年第二季度的營(yíng)收比2013年同期增長(zhǎng)了約7億美元，我們也相應(yīng)增加了研發(fā)投入，預(yù)計(jì)今年會(huì)花費(fèi)4.3億美元用于研發(fā)，包括OpenCL、Quartus II軟件、各種IP以及芯片本身。”結(jié)果也證明多年的鋪墊、耕耘以及巨額的研發(fā)投入已經(jīng)讓Altera變得更強(qiáng)。目前Altera分布在20個(gè)國(guó)家，有3000名員工，憑借17.3億美元的收入成為全球可編程半導(dǎo)體業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，毛利率高達(dá)70%，是行業(yè)增長(zhǎng)最快的。其也曾被福布斯評(píng)為全球100家最具創(chuàng)新力企業(yè)之一，被SiliconVally.com評(píng)為硅谷50強(qiáng)企業(yè)。

針對(duì)差異化，Daane表示：“我們和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手涉及的領(lǐng)域其實(shí)有一些是沒(méi)有太大增幅的。如果你回顧一下，一些產(chǎn)業(yè)在2010年才增長(zhǎng)2%甚至更少，例如電信行業(yè)，基本上都沒(méi)有增長(zhǎng)。目前我們的很多競(jìng)爭(zhēng)者都在高端技術(shù)上較量，而當(dāng)你與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品相似時(shí)，只有以低價(jià)來(lái)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，但這是不明智的，也是很多廠商不愿意做的，像是殺雞取卵。因此現(xiàn)在大家都選擇差異化競(jìng)爭(zhēng)，而且要迅速地實(shí)現(xiàn)差異化，但是差異化競(jìng)爭(zhēng)確實(shí)很激烈和殘酷。如果你花2~3年的時(shí)間才完成一個(gè)硬件系統(tǒng)，你的競(jìng)爭(zhēng)者很容易就趕上甚至超越你，如果你的設(shè)備都是可編程的，做差異化只需要通過(guò)軟件編程改變FPGA軟件包來(lái)更新系統(tǒng)，這樣就可以領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)者。”

“對(duì)帶寬的要求給設(shè)備廠商很大的壓力，因?yàn)槭窃诓辉黾映杀镜幕A(chǔ)上提高帶寬。此外，系統(tǒng)功率要求也越來(lái)越高。在固定大小的設(shè)備中，人們不斷增加新的功能，而總功耗不變，這就必須要減小器件功耗。”Daane說(shuō)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心功率和散熱成本每年高達(dá)300億美元，是購(gòu)買服務(wù)器的4~5倍。因此云服務(wù)公司開始把目光轉(zhuǎn)向FPGA以期降低高昂的電費(fèi)等使用成本，這就給Altera很大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

FPGA結(jié)合了軟件編程和硬件加速，既有DSP這類通用處理器的高靈活性，又有ASIC、ASSP類專用集成電路的高效率，并實(shí)現(xiàn)了高性能和低功耗，這也是FPGA自問(wèn)世就備受推崇的重要原因。Daane強(qiáng)調(diào)：“有一點(diǎn)很重要，不是所有的功能都能夠用一個(gè)器件或者一種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而是結(jié)合起來(lái)，把他們系統(tǒng)地結(jié)合起來(lái)，這就是為什么FPGA也加入了很多元件，包括微處理器、DSP以及模擬部分，我們盡量把有用的資源融入到FPGA中。而最終是用戶受益，我們?yōu)樗麄儎?chuàng)造了靈活的、容易做差異化的、可編程的FPGA。”

進(jìn)軍數(shù)據(jù)中心 布局未來(lái)世界

“未來(lái)所有的企業(yè)都將是互聯(lián)網(wǎng)公司”的言論在互聯(lián)網(wǎng)上瘋傳，也給了很多公司啟示。隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，與其相關(guān)的大數(shù)據(jù)、軟件定義數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等成為熱門應(yīng)用，計(jì)算和存儲(chǔ)市場(chǎng)成為很多公司的涉獵對(duì)象，Altera也不例外。Waters介紹到：“憑借我們優(yōu)秀的產(chǎn)品，計(jì)算和存儲(chǔ)市場(chǎng)已成為Altera成長(zhǎng)最快的市場(chǎng)，并且在該領(lǐng)域成為最大的FPGA供應(yīng)商。”

Waters把影響數(shù)據(jù)中心的趨勢(shì)歸納為：網(wǎng)絡(luò)加速(減少內(nèi)存瓶頸，降低延遲)，管理電能和冷卻，CPU卸載以及數(shù)據(jù)接入(分析、挖掘和訪問(wèn)加速)。而數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)主要來(lái)自CPU和存儲(chǔ)的瓶頸。CPU架構(gòu)對(duì)于絕大多數(shù)并行計(jì)算應(yīng)用(如大數(shù)據(jù)、搜索)并不高效，這導(dǎo)致過(guò)度的功率消耗，CPU的瓶頸讓其對(duì)數(shù)據(jù)的處理消耗了過(guò)多的資源，這導(dǎo)致性能降低(高延遲)。目前市場(chǎng)的應(yīng)對(duì)策略就是定制硬件和架構(gòu)，谷歌、IBM、惠普和Facebook等知名企業(yè)都這樣做了。

FPGA在軟件定義數(shù)據(jù)中心所起的作用是什么呢?主要有資源分享，即計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的虛擬化;加速器，包括網(wǎng)絡(luò)加速、管理程序卸載、數(shù)據(jù)訪問(wèn)加速和算法加速;集群計(jì)算(CPU和FPGA)以及集群互連。

FPGA具有超并行體系結(jié)構(gòu)，包括10~100倍的計(jì)算單元，允許在單時(shí)鐘周期內(nèi)支持多個(gè)或不同指令的并行設(shè)計(jì)，更好的局部存儲(chǔ)器避免了瓶頸，此外其可編程性可實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的加速。這些特性都使得FPGA增加了數(shù)據(jù)中心的效率，通過(guò)算法加速和最大限度地減少瓶頸，F(xiàn)PGA能夠極大地提升基于CPU的數(shù)據(jù)中心處理能力，實(shí)現(xiàn)每瓦特性能超過(guò)10倍的增長(zhǎng)。

據(jù)悉，微軟研究院Doug Burger已經(jīng)在試驗(yàn)一種新的處理器系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)必應(yīng)Bing服務(wù)的后端，這套系統(tǒng)就是由Altera的FPGA 驅(qū)動(dòng)，將以更高效率執(zhí)行特定的搜索任務(wù)。這個(gè)計(jì)劃被命名為 Project Catapult，微軟研究院已經(jīng)測(cè)試了1632 臺(tái)服務(wù)器群，每一臺(tái)服務(wù)器都有英特爾 Xeon 處理器和包括 Altera FPGA 處理器的子卡，來(lái)驗(yàn)證 Doug Burger 的理論。結(jié)果 FPGA 處理的性能是原來(lái) CPU 的 40 倍，但由于一些工作仍由原來(lái)的處理器處理，總體性能是原來(lái)的 2 倍，已經(jīng)是非?？捎^的結(jié)果，而且更省能源。由于效果十分理想，微軟計(jì)劃從2015年開始在其數(shù)據(jù)中心中部署FPGA。

下表為在搜索、圖形縮放、金融建模應(yīng)用中分別用Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及AlteraFPGA加速以后的功耗和性能對(duì)比，可以看出，Altera FPGA在各方面遙遙領(lǐng)先。

表1 Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及Altera FPGA加速功耗和性能對(duì)比

OpenCL助FPGA改變數(shù)據(jù)中心游戲規(guī)則

由于軟件是實(shí)現(xiàn)差異化的重要一環(huán)，很多公司在軟件上的投入甚至已經(jīng)超過(guò)了硬件本身。為了讓數(shù)據(jù)中心客戶更好地使用FPGA，Altera開發(fā)了支持OpenCL的設(shè)計(jì)工具，以讓FPGA編程更友好，軟件開發(fā)者可直接用C語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)每瓦特最好的性能。

Waters自信地表示：“Altera 的OpenCL對(duì)數(shù)據(jù)中心將有深遠(yuǎn)的影響，預(yù)計(jì)到2016年，50%的Altera數(shù)據(jù)中心生意將采用OpenCL，6個(gè)最大的服務(wù)器提供商中的4個(gè)以及5個(gè)最大的投資銀行中的3個(gè)都選擇了AlteraOpenCL。”

OpenCL的支持改變了游戲規(guī)則，幫助FPGA滲入主流異構(gòu)計(jì)算的世界。FPGA+OpenCL雙劍合璧可以讓在線搜索更加快速。中國(guó)的搜索巨頭百度就采用Altera FPGA+OpenCL作為搜索加速，百度在云數(shù)據(jù)中心使用FPGA加速，這將對(duì)開發(fā)更準(zhǔn)確、更快的在線搜索功能起到關(guān)鍵作用。FPGA滿足了搜索、大數(shù)據(jù)和深度挖掘這類應(yīng)用的復(fù)雜要求。

軟件定義數(shù)據(jù)中心是一個(gè)正在茁壯成長(zhǎng)的市場(chǎng)。目前，數(shù)據(jù)中心給FPGA帶來(lái)了約2億美元的市場(chǎng)，但是Waters預(yù)計(jì)到2020年該市場(chǎng)將達(dá)到10億美元的規(guī)模。Waters表示，Altera憑借性能+效率的定位再加上OpenCL，充分滿足了軟件定義數(shù)據(jù)中心的需求。

在過(guò)去6個(gè)月，Altera相繼發(fā)布了Arria 10、Stratix 10以及MAX 10 FPGA及SoC系列，它們都屬于Altera“第10代”(Generation 10)產(chǎn)品，為Altera第4個(gè)十年開啟了加速創(chuàng)新模式，我們也將持續(xù)關(guān)注Altera的創(chuàng)新成果如何給市場(chǎng)帶來(lái)的活力。

全球現(xiàn)代科技的創(chuàng)新之源無(wú)疑是美國(guó)的硅谷。在硅谷，集結(jié)著美國(guó)各地和世界各國(guó)的科技人員達(dá)100萬(wàn)以上，美國(guó)科學(xué)院院士在硅谷任職的就有近千人，獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家就達(dá)30多人。作為電子行業(yè)領(lǐng)先媒體，EEWORLD專程前往美國(guó)硅谷，探訪全球頂級(jí)的芯片公司，從科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)營(yíng)銷等諸多方面發(fā)掘他們的優(yōu)點(diǎn)，為中國(guó)讀者帶來(lái)最新鮮的技術(shù)報(bào)道，為中國(guó)科技特別是集成電路產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。