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

 半導體行業(yè)的趨勢是什么?在當前科技日新月異、需求層出不窮的背景下，芯片廠商如何找準自己的定位以不被時代淘汰?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兼董事會主席John Daane先生以及Altera高級副總裁Jeff Waters先生那里得到了他們的答案。

圖1 Altera公司總裁、CEO兼董事會主席John Daane先生

迎合半導體發(fā)展趨勢，Altera蓄勢待發(fā)

Daane已經(jīng)在Altera擔任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：“在2003年11月的一個國際會議上我就說過，行業(yè)在改變，為了應對持續(xù)增加的設計成本，具有可編程功能的設備將更具競爭優(yōu)勢，那時有人當面質(zhì)疑我的觀點。11年過去了，時間證明‘可編程’的趨勢已經(jīng)發(fā)生，并且還將繼續(xù)在更多領域發(fā)酵，并最終替代ASSP和ASIC。”

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

Daane舉例說：“我投資1.3億美元去研發(fā)一個28 nm的芯片，投入包括EDA工具和工作站等。如果你將公司營收額的20%進行研發(fā)，你可能得到5倍的回報。近幾年，Altera研發(fā)投入都保持每年增長30%。2013年，Altera的營收額達17.32億美元，研發(fā)投入就高達3.85億美元。鑒于經(jīng)濟逐漸向好，Altera在2014年表現(xiàn)搶眼，其中基礎設施建設起了很大的推動作用，而最大的刺激來自無線和工業(yè)。2014年第二季度的營收比2013年同期增長了約7億美元，我們也相應增加了研發(fā)投入，預計今年會花費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。目前Altera分布在20個國家，有3000名員工，憑借17.3億美元的收入成為全球可編程半導體業(yè)的領導者，毛利率高達70%，是行業(yè)增長最快的。其也曾被福布斯評為全球100家最具創(chuàng)新力企業(yè)之一，被SiliconVally.com評為硅谷50強企業(yè)。

針對差異化，Daane表示：“我們和競爭對手涉及的領域其實有一些是沒有太大增幅的。如果你回顧一下，一些產(chǎn)業(yè)在2010年才增長2%甚至更少，例如電信行業(yè)，基本上都沒有增長。目前我們的很多競爭者都在高端技術上較量，而當你與競爭對手產(chǎn)品相似時，只有以低價來進行競爭，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爭，而且要迅速地實現(xiàn)差異化，但是差異化競爭確實很激烈和殘酷。如果你花2~3年的時間才完成一個硬件系統(tǒng)，你的競爭者很容易就趕上甚至超越你，如果你的設備都是可編程的，做差異化只需要通過軟件編程改變FPGA軟件包來更新系統(tǒng)，這樣就可以領先于競爭者。”

“對帶寬的要求給設備廠商很大的壓力，因為是在不增加成本的基礎上提高帶寬。此外，系統(tǒng)功率要求也越來越高。在固定大小的設備中，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。

據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心功率和散熱成本每年高達300億美元，是購買服務器的4~5倍。因此云服務公司開始把目光轉(zhuǎn)向FPGA以期降低高昂的電費等使用成本，這就給Altera很大的機遇和挑戰(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，并實現(xiàn)了高性能和低功耗，這也是FPGA自問世就備受推崇的重要原因。Daane強調(diào)：“有一點很重要，不是所有的功能都能夠用一個器件或者一種架構(gòu)實現(xiàn)，而是結(jié)合起來，把他們系統(tǒng)地結(jié)合起來，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。”

進軍數(shù)據(jù)中心 布局未來世界

“未來所有的企業(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，與其相關的大數(shù)據(jù)、軟件定義數(shù)據(jù)中心和云計算等成為熱門應用，計算和存儲市場成為很多公司的涉獵對象，Altera也不例外。Waters介紹到：“憑借我們優(yōu)秀的產(chǎn)品，計算和存儲市場已成為Altera成長最快的市場，并且在該領域成為最大的FPGA供應商。”

Waters把影響數(shù)據(jù)中心的趨勢歸納為：網(wǎng)絡加速(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、挖掘和訪問加速)。而數(shù)據(jù)中心的挑戰(zhàn)主要來自CPU和存儲的瓶頸。CPU架構(gòu)對于絕大多數(shù)并行計算應用(如大數(shù)據(jù)、搜索)并不高效，這導致過度的功率消耗，CPU的瓶頸讓其對數(shù)據(jù)的處理消耗了過多的資源，這導致性能降低(高延遲)。目前市場的應對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，即計算、存儲和網(wǎng)絡的虛擬化;加速器，包括網(wǎng)絡加速、管理程序卸載、數(shù)據(jù)訪問加速和算法加速;集群計算(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倍的計算單元，允許在單時鐘周期內(nèi)支持多個或不同指令的并行設計，更好的局部存儲器避免了瓶頸，此外其可編程性可實現(xiàn)特定應用的加速。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，實現(xiàn)每瓦特性能超過10倍的增長。

據(jù)悉，微軟研究院Doug Burger已經(jīng)在試驗一種新的處理器系統(tǒng)來驅(qū)動必應Bing服務的后端，這套系統(tǒng)就是由Altera的FPGA 驅(qū)動，將以更高效率執(zhí)行特定的搜索任務。這個計劃被命名為 Project Catapult，微軟研究院已經(jīng)測試了1632 臺服務器群，每一臺服務器都有英特爾 Xeon 處理器和包括 Altera FPGA 處理器的子卡，來驗證 Doug Burger 的理論。結(jié)果 FPGA 處理的性能是原來 CPU 的 40 倍，但由于一些工作仍由原來的處理器處理，總體性能是原來的 2 倍，已經(jīng)是非常可觀的結(jié)果，而且更省能源。由于效果十分理想，微軟計劃從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比，可以看出，Altera FPGA在各方面遙遙領先。

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

OpenCL助FPGA改變數(shù)據(jù)中心游戲規(guī)則

由于軟件是實現(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的設計工具，以讓FPGA編程更友好，軟件開發(fā)者可直接用C語言對FPGA進行編程，實現(xiàn)每瓦特最好的性能。

Waters自信地表示：“Altera 的OpenCL對數(shù)據(jù)中心將有深遠的影響，預計到2016年，50%的Altera數(shù)據(jù)中心生意將采用OpenCL，6個最大的服務器提供商中的4個以及5個最大的投資銀行中的3個都選擇了AlteraOpenCL。”

OpenCL的支持改變了游戲規(guī)則，幫助FPGA滲入主流異構(gòu)計算的世界。FPGA+OpenCL雙劍合璧可以讓在線搜索更加快速。中國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，這將對開發(fā)更準確、更快的在線搜索功能起到關鍵作用。FPGA滿足了搜索、大數(shù)據(jù)和深度挖掘這類應用的復雜要求。

軟件定義數(shù)據(jù)中心是一個正在茁壯成長的市場。目前，數(shù)據(jù)中心給FPGA帶來了約2億美元的市場，但是Waters預計到2020年該市場將達到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。

在過去6個月，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個十年開啟了加速創(chuàng)新模式，我們也將持續(xù)關注Altera的創(chuàng)新成果如何給市場帶來的活力。

全球現(xiàn)代科技的創(chuàng)新之源無疑是美國的硅谷。在硅谷，集結(jié)著美國各地和世界各國的科技人員達100萬以上，美國科學院院士在硅谷任職的就有近千人，獲諾貝爾獎的科學家就達30多人。作為電子行業(yè)領先媒體，EEWORLD專程前往美國硅谷，探訪全球頂級的芯片公司，從科學研究、技術開發(fā)和生產(chǎn)營銷等諸多方面發(fā)掘他們的優(yōu)點，為中國讀者帶來最新鮮的技術報道，為中國科技特別是集成電路產(chǎn)業(yè)做出貢獻。