新基建需要自適應計算作為強大的數(shù)據(jù)處理引擎

1新基建“新”在哪兒

我國正大力發(fā)展新基建。那么，新基建“新”在哪兒？實際上新在數(shù)據(jù)，即如何做基建以把數(shù)據(jù)的能量很好地釋放出來，使數(shù)據(jù)能更好地流通、更好地改變生活。所以以前的基建是針對人，怎樣改變人的生活，如何讓社會高效地前進；新基建的特點是 “新”，是圍繞數(shù)據(jù)進行的基建。

新基建的七大核心領域就在于數(shù)據(jù)。我國給出了七大領域（如上圖）。其中5G、人工智能、數(shù)據(jù)中心，主要談的是數(shù)據(jù)的產業(yè)化，怎樣把今天產生的數(shù)據(jù)，通過手機，通過智能工廠，通過人工智能把它變成一種能夠產業(yè)化的東西。汽車、城際高速、特高壓、工業(yè)物聯(lián)網等是非常獨特的領域，特點是能夠產生巨量的數(shù)字，同時它又是傳統(tǒng)行業(yè)。因此，我們要思考怎樣讓傳統(tǒng)行業(yè)利用今天的數(shù)據(jù)產生的能量加速發(fā)展。所以，人們把新基建分成做數(shù)字產業(yè)化和產業(yè)數(shù)字化。

2 數(shù)據(jù)引力帶來了邊緣計算的需求

為何今天數(shù)據(jù)如此重要？因為當數(shù)據(jù)成為一種社會的能量聚集點之后，會產生巨大的“數(shù)據(jù)引力”。這種引力會帶來“數(shù)據(jù)慣性”(Lew Tucker提出的概念)——很多服務、應用向數(shù)據(jù)靠攏（如下圖）。

數(shù)據(jù)的引力對計算帶來了兩大挑戰(zhàn)。以下以新基建中的工業(yè)物聯(lián)網的數(shù)據(jù)來說明。

1）系統(tǒng)的延時所帶來的訴求。從控制系統(tǒng)角度，控制的速率是由自然數(shù)據(jù)的頻率，也就是自然速率來決定的。根據(jù)Nyquist定理，至少要2倍的采樣頻率才能實現(xiàn)有效的捕捉信息。對于系統(tǒng)來說，它的要求是更高的，理論上是需要有10倍的采樣頻率要求（如下圖）。

例如，對于較慢的頻率，如燃氣發(fā)電機或者是風力發(fā)電機，它們的數(shù)據(jù)頻率可能是在十幾Hz或幾Hz，但是控制速率需達到10 ms左右。這時如果對控制系統(tǒng)的作用是通過中央化的處理平臺來實現(xiàn)的，會給物理限制帶來挑戰(zhàn)。因此無法通過云化來進行這樣的控制系統(tǒng)的管理。

2）成本角度。對于計算中心，同樣是發(fā)電站的數(shù)據(jù)量消耗，左下表列出了各種I/O控制的數(shù)據(jù)量，推斷到每分鐘、每小時、每天，每月的吞吐量，結果是是一個普通的電站所產生的數(shù)據(jù)量至少是在7700 GB以上。以亞馬遜云(aws)的云存儲服務作為模型來計算，僅發(fā)電站的數(shù)據(jù)存儲成本，每月就要超過1.3萬美元。

也就是說數(shù)據(jù)的引力，一方面是數(shù)據(jù)的物理限制導致了本地化部署的需求，另外是數(shù)據(jù)的數(shù)量，二者同時把計算推向了邊緣，即加倍的邊緣計算及智能化帶來了工業(yè)物聯(lián)網領域的需求（如下圖）。

3 雜亂無章、爆炸性增長的數(shù)據(jù)需要自適應平臺

數(shù)據(jù)今天是以一種什么樣的形式出現(xiàn)？

①是雜亂無序的。

②增長既不是線性的，也不是指數(shù)級的，而是爆炸性的。線性的，例如隨著手機用戶的增多，數(shù)據(jù)產生的量就多了，實際上，每部手機的帶寬/數(shù)據(jù)流量是有限制的。但是，今天我們面對的不是這種形式，而是能夠接入的設備/產生數(shù)據(jù)的端/設備越來越多，即每個端都在產生巨大的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)是怎樣完成傳輸、計算，從而產生內容和意義的？實際上，它不是一種架構就能夠產生。即它已經不像以前簡單的諸如通訊里的數(shù)據(jù)，或車里的數(shù)據(jù)，而是把短視頻、流媒體等各種不同的數(shù)據(jù)都疊加進來。所以，單一的數(shù)據(jù)架構無法獨立完成這種海量數(shù)據(jù)的處理。

為此，自適應和智能計算的領先企業(yè)賽靈思公司（Xilinx）于2018年提出了“異構計算”概念，當時正處于數(shù)據(jù)爆炸的黎明，而異構計算將會是整個世界需要的一種計算模式。

 據(jù)賽靈思介紹，業(yè)界發(fā)現(xiàn)，芯片設計在往前演進的時候，產品的迭代周期越來越慢，而不是越來越快。例如，從90 nm到16 nm過程，在制程上每2年左右推出一代新品，或者是容量翻番。但是，隨著進入到20 nm之后，芯片的設計周期越來越慢。

但從另一個角度來看，創(chuàng)新是在快速演進的。例如通信業(yè)從2G到3G，大約用了三四年的時間，3G到4G用了約2年，4G到5G用了約5年。但是到了AI，到今天的智能世界，整個算法的演進是非?？斓模訟I為例，可能算法的演進也就是一篇論文的發(fā)表，人們就能發(fā)現(xiàn)一個全新的世界；與此同時，行業(yè)標準也在不停地從各種維度更迭。所以今天的創(chuàng)新和芯片的周期變成了一種非常不匹配的節(jié)奏。

因此世界在呼喚一種自適應的計算，它不被芯片的設計周期所限制；但是又能同時在算法演進和行業(yè)標準推進的時候來支撐人們的想法，再加上保密性、安全性有改動的時候，以及傳感器和接口數(shù)量不斷增加時，能夠有一種硬件，讓用戶可以自適應地去滿足這些需求（如下圖）。

傳統(tǒng)的CPU在計算里是最靈活的，但有時會效率低下，人們在網絡里會不停地提智能網卡；同樣， ASIC又缺乏靈活性。所以，自適應平臺必須是能夠根據(jù)客戶的應用特點來不停地變化。賽靈思認為自適應平臺最簡單的需求就是DSA（特定領域應用），能夠去定義特定領域的架構需求。

4 創(chuàng)“新”正當“適”——賽靈思的ACAP平臺

2018年賽靈思推出了區(qū)別于CPU、GPU的一種新型計算架構——ACAP，即自適應計算加速平臺（Adaptive Compute Acceleration Platform）。當前，我國正如火如荼地開展新基建，賽靈思近日召開線上媒體會，主題是創(chuàng)“新”正當“適”（如下圖）。

賽靈思為什么有信心稱ACAP正適合新基建呢？賽靈思大中華區(qū)銷售副總裁唐曉蕾女士分析道，賽靈思是一直是自適應計算的領導者，適應于不同領域的創(chuàng)新，例如以下6個維度。

1）云端，賽靈思和亞馬遜一起推出了FaaS（FPGA即服務）；

2）通信領域，任何一種通訊的代際出來之后，業(yè)界往往會先以賽靈思的基礎架構做原型設計、測試，甚至有很多客戶直接用賽靈思的芯片去生產。另外，從2G、3G、4G到現(xiàn)在的5G，賽靈思一直陪伴著客戶，甚至有客戶在用賽靈思的產品做6G的前期研究。

3）汽車領域，賽靈思有1.7億顆芯片的出貨量。

4）航空航天領域，是FPGA/自適應計算的第一大的供應商。

5）工業(yè)物聯(lián)網，市占率70%。 

6）測試和測量領域，全球大部分做IC的封裝測試里有賽靈思的產品。

此外，為了契合各種應用，賽靈思自身也在“創(chuàng)新正當適”，進行了硬件和軟件2個層次的創(chuàng)新。

● 硬件層面。賽靈思是FPGA的發(fā)明者，但是并沒有止步于FPGA，早在2011年就推出了Arm SoC。之后看到當FPGA和Arm處理器結合時，可以帶來更廣闊的空間：軟件和硬件同時可編程的平臺，因此進軍軟件業(yè)。其后，賽靈思又繼續(xù)增強Arm SoC的能力，集成了4個核，推出了MPSoC。接下來，把數(shù)字與RF等模擬集成到一個平臺，推出了RFSoC。2018年又祭出了ACAP（自適應計算加速平臺）。

2018年推出ACAP，標志著賽靈思完成了從器件到平臺的蛻變。

● 軟件層面。這個世界越來越是軟件驅動的世界，因為越來越多的軟件工程師和創(chuàng)客首先在電腦上做出自己的想法，最后落實到硬件上。如何讓他們也享受到硬件帶來的便利？為此，賽靈思從器件到平臺都做了升級： 

①對于硬件開發(fā)者，繼續(xù)提供Vivado來支持；

②對于嵌入式開發(fā)者，可用MPSoC；

③對于軟件的應用開發(fā)者，賽靈思推出了Vitis統(tǒng)一軟件平臺，使軟件開發(fā)人員和創(chuàng)客可以把想法用傳統(tǒng)軟件，例如Python，在硬件上面實現(xiàn)，甚至數(shù)據(jù)科學家也可以在Vitis平臺上想法實現(xiàn)出來。

經過這樣的調整，賽靈思適合各種各樣的領域、應用（如下圖）。

那么，對于新基建，賽靈思從器件平臺公司轉型具體是怎么實現(xiàn)落地的？首先是讓客戶去接受賽靈思的產品；然后再根據(jù)客戶的需求做優(yōu)化，并如此反復迭代——因為新基建落地的過程是螺旋式上升的，可能要經歷5~10年的漫長過程，所以需要把該落地，能落地的事情先做好，然后在和客戶一起成長。

5 工業(yè)視覺的應用

賽靈思面向的市場與新基建非常契合。賽靈思目前正引領的自適應計算在這些行業(yè)領域里是重要的驅動力。

賽靈思新任大中華區(qū)核心市場發(fā)展總監(jiān)酆毅先生介紹了智能工廠等應用案例。

智能工廠涵蓋了機器人的技術，驅動與電機的控制，工業(yè)物聯(lián)網的網關與邊緣設備，工業(yè)PLC/PAC/ IPC，還有I/O模塊和智能傳感器。

與此同時，工業(yè)物聯(lián)網的開發(fā)在過去是一個相對復雜的開發(fā)環(huán)境，因為物聯(lián)網包含了嵌入式的開發(fā)，例如需要用到PowerPC和實時操作系統(tǒng)VxWorks，這需要開發(fā)團隊和環(huán)境進行相關的硬件平臺的開發(fā)；再有，傳統(tǒng)意義上的ASIC或FPGA的開發(fā)，需要用到Linux和Arm技術；軟件或跨平臺的開發(fā)，需要用到X86和Windows。因此，用戶可能需要組建3個不同的開發(fā)團隊和環(huán)境（如下圖左側）。

賽靈思作為異構計算的領導者，具有統(tǒng)一化的異構開發(fā)環(huán)境，無論是在云端的開發(fā)者，IT技術的整合，還有操作技術的整合，賽靈思的Zynq UltraScale MPSoC平臺都能讓開發(fā)者在統(tǒng)一平臺里實現(xiàn)多核Arm、Linux、實時處理和外設，和可編程邏輯的開發(fā)工作。

6 此次疫情令“創(chuàng)新正當適”

全球在蔓延新冠疫情，不過，賽靈思非常幸運，盡管疫情給賽靈思造成了很多不便，但整個產品不管是交付，還是研發(fā)，都在有條不紊地進行下去，對產品的推出沒有什么負面影響。

但是，確實這次疫情讓人們關注到了很多不一樣的角度：與傳統(tǒng)不一樣，人們的生活也要“自適應”地改變。

賽靈思剛剛過去的2019財年（2019年4月—2020年3月），是年營收在突破30億美元關口之后，達到了一個新的高點——超過31億美元。

自適應的核心是適者生存。人們正迎來數(shù)據(jù)時代，像賽靈思ACAP這類的自適應計算加速平臺，有望成為驅動新基建等創(chuàng)新的數(shù)據(jù)處理引擎。同樣，人們身處于瞬息萬變的世界，挑戰(zhàn)與機遇并存，只有不斷創(chuàng)新，才能自適應于這個時代。

圖：賽靈思大中華區(qū)銷售副總裁唐曉蕾，賽靈思大中華區(qū)核心市場總監(jiān)酆毅