英特爾收購阿爾特拉，發(fā)布向GPU的宣戰(zhàn)宣言——新FPGA

　　美國阿爾特拉公司(Altera)發(fā)布了預(yù)定于2015年底供應(yīng)樣品的高端FPGA“Stratix 10”的詳情。Stratix 10由2015年6月1日(美國時(shí)間)宣布收購阿爾特拉的美國英特爾公司代工，是利用14nm工藝制造的FPGA。

　　Stratix 10雖然以前就公布了概要，但披露器件產(chǎn)品線等詳情還是首次。預(yù)定于2015年第四季度供應(yīng)樣品。

　　圖1：接受《日經(jīng)電子》采訪的阿爾特拉產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)Patrick Dorsey

　　Stratix 10通過改善FPGA架構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)該公司以往產(chǎn)品“Stratix V”約2倍的性能。不僅在邏輯元件(LE)內(nèi)，還在LE外部的布線部分設(shè)置幾百萬個(gè)寄存器，將管道細(xì)分，視用戶邏輯的類型，最大工作頻率可達(dá)900MHz左右。

　　Stratix 10與已經(jīng)在供應(yīng)樣品的該公司的中檔FPGA“Arria 10”一樣，DSP硬宏支持浮點(diǎn)運(yùn)算。最多的品種配備1.1萬個(gè)以上的DSP硬宏，浮點(diǎn)運(yùn)算性能超越美國英偉達(dá)的GPU、高達(dá)10TFLOPS。該公司的產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)Patrick Dorsey說：“我們的產(chǎn)品已經(jīng)可以與英偉達(dá)的GPU展開全面競爭”，顯露出對(duì)GPU的競爭意識(shí)。

　　與賽靈思在發(fā)展方向上的差異明確

　　Stratix 10的特點(diǎn)主要有4個(gè)：(1)實(shí)現(xiàn)Stratix V約2倍性能的“HyperFlex架構(gòu)”;(2)耗電量的削減;(3)采用英特爾的2.5D封裝技術(shù);(4)考慮到云端多租戶使用的安全功能。

　　(1)的HyperFlex架構(gòu)，是類似于微處理器的超級(jí)管道技術(shù)。是細(xì)分管道，增加段數(shù)，使其能以更高的時(shí)鐘頻率工作的技術(shù)。

　　具體來說，Stratix 10在接線段設(shè)置了專用的“Hyper寄存器”。使用該Hyper寄存器，將細(xì)分管道以提高頻率。而一般的FPGA，寄存器只配置在LE內(nèi)，接線段是不配置寄存器的。

　　圖2：利用Hyper寄存器細(xì)分管道

　　據(jù)稱，因Hyper寄存器的插入，是由編譯器端自動(dòng)進(jìn)行的，邏輯電路設(shè)計(jì)者無需顧慮。阿爾特拉2015年5月發(fā)布的新設(shè)計(jì)工具“Quartus II”，配備了實(shí)現(xiàn)這一操作的功能。

　　按照該公司的估算，某無線通信基礎(chǔ)設(shè)施用電路，Stratix V的最大工作頻率為491MHz，而Stratix 10則為982MHz。在數(shù)據(jù)中心用的加速電路，Stratix V的最大工作頻率為156MHz，而Stratix 10為452MHz。

　　圖3：與Stratix V相比的高速化程度

　　關(guān)于(2)，與Stratix V相比，Stratix 10的耗電量最大可減少70%。除利用14nm工藝制造技術(shù)，降低了電源電壓外，與Stratix V相比，還能以較窄的位寬實(shí)現(xiàn)相同的性能，據(jù)稱這也有助于降低耗電量。

　　圖4：與Stratix V相比減少的耗電量

　　圖5：數(shù)據(jù)中心的使用示例

　　利用2.5D封裝分離PHY，為與Xeon整合作準(zhǔn)備?

　　(3)利用了代工商英特爾的2.5D封裝技術(shù)“EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)”(參閱本站報(bào)道)。

　　英特爾的競爭對(duì)手——美國賽靈思公司(Xilinx)也在使用2.5D封裝技術(shù)，但阿爾特拉和賽靈思的使用方式完全不同。

　　賽靈思是把FPGA架構(gòu)分成數(shù)枚芯片，用內(nèi)插器連接。而阿爾特拉的戰(zhàn)略，則是FPGA架構(gòu)封裝在單一芯片中，收發(fā)器電路按照不同接口，準(zhǔn)備不同的芯片。阿爾特拉把這種芯片叫作“區(qū)塊”(Tile)。

　　圖6：區(qū)塊的示意圖

　　阿爾特拉將收發(fā)器電路作為單獨(dú)芯片的理由主要有兩個(gè)。一是為了方便支持今后可能面世的新一代高速接口。在支持對(duì)PCI Express Gen 4等數(shù)據(jù)速率的高速化，以及含光通信在內(nèi)等新調(diào)制方式時(shí)，分芯片更容易替換，實(shí)現(xiàn)起來方便。

　　另一個(gè)是FPGA架構(gòu)收納在單一芯片中，LE之間的通信“不像賽靈思那樣，無需經(jīng)由不同的內(nèi)插器，可以提高可靠性”(Dorsey)。賽靈思和阿爾特拉最近在片上存儲(chǔ)器、浮點(diǎn)運(yùn)算等許多方面，戰(zhàn)略上的差異逐漸明確，2.5D封裝的利用方法也明顯不同。

　　阿爾特拉將收發(fā)器電路另分芯片，也可以看作是與英特爾的服務(wù)器微處理器“Xeon”整合之前的準(zhǔn)備。英特爾在宣布收購阿爾特拉之前，一直在計(jì)劃推出將Xeon與FPGA集成于同一封裝的產(chǎn)品。通過像英偉達(dá)GPU配備的接口“NVLINK”那樣，使在FPGA端容易配備可以與CPU高速連接的接口，以提高其作為加速器的利用價(jià)值。關(guān)于這一點(diǎn)，阿爾特拉的Dorsey表示“無可奉告”。

　　立足云端使用，F(xiàn)PGA終將實(shí)現(xiàn)多租戶化

　　關(guān)于(4)，Stratix 10加入了用來防范非法訪問、防范篡改等的“安全設(shè)備管理器(SDM)”技術(shù)。在芯片內(nèi)設(shè)置約15～150個(gè)扇區(qū)并予以隔離，使扇區(qū)可以單獨(dú)配置和認(rèn)證。

　　作為扇區(qū)的使用示例，阿爾特拉舉出了防御設(shè)備中加密算法的隱藏、無線通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備中特定電路的更新(在持續(xù)使用特定電路的同時(shí)，更新其他部分的電路)等。在該公司列舉的示例中，最有特點(diǎn)的當(dāng)屬云服務(wù)的例子。

　　具體來說，就是云服務(wù)運(yùn)營商在自己的基礎(chǔ)設(shè)施中采用FPGA，把單一FPGA器件分割為多個(gè)扇區(qū)，出租給多位客戶的使用形態(tài)。

　　這就像是在云計(jì)算領(lǐng)域，多家用戶企業(yè)共用同一系統(tǒng)的“多租戶”?？梢哉f象征了“重視數(shù)據(jù)中心用途”這一阿爾特拉的現(xiàn)行發(fā)展方向。

　　圖7：將單一FPGA分割使用的“扇區(qū)”使用示例

　　最左側(cè)的云端“多租戶”使用象征著阿爾特拉如今的發(fā)展方向

　　美國微軟計(jì)劃于2015年下半年，將為本公司數(shù)據(jù)中心大量引進(jìn)FPGA，用來提高搜索引擎的速度，提供基于深度學(xué)習(xí)(CNN)的圖像識(shí)別。

　　估計(jì)微軟也在考慮把引進(jìn)的大量FPGA，經(jīng)由該公司的云服務(wù)“Azure”出租給客戶。Stratix 10規(guī)模最大的品種配備550萬個(gè)LE。達(dá)到如此規(guī)模后，在單一FPGA中劃分區(qū)域，提供給多個(gè)應(yīng)用、多家企業(yè)共用的利用形式便成為了可能。

　　PUF電路為Intrinsic ID制造

　　Stratix 10為加強(qiáng)防篡改性、加密密鑰等，在高端FPGA中首次配備了PUF(physical unclonable function)電路。PUF電路是利用半導(dǎo)體制造誤差造成的微小個(gè)體差異，生成芯片固有ID的技術(shù)。采用的PUF電路為荷蘭Intrinsic ID公司制造。

　　配備PUF的FPGA此前美國美高森美公司(Microsemi)曾推出過，“在賽靈思和阿爾特拉的高端FPGA中配備，估計(jì)Stratix 10還是第一個(gè)”(Dorsey)。

　　ARM內(nèi)核也實(shí)現(xiàn)64位化

　　Stratix 10與以往產(chǎn)品一樣，也將準(zhǔn)備配備ARM內(nèi)核的“Stratix 10 SoC”。阿爾特拉的FPGA過去一直配備32位ARM內(nèi)核，Stratix 10 SoC將配備64位四核“Cortex-A53”。最大工作頻率為1.5GHz。(記者：進(jìn)藤智則，日經(jīng)Robotics)

　　圖8：Stratix 10的品種一覽