改變世界的硬件加速技術

發布時間:2015-10-27 11:03    發布者:designapp
關鍵詞: 摩爾定律 , 硬件加速
  摘要:天下武功,無堅不摧,唯快不破。武林中即使如此,電子行業亦是如此。
  社會越來越先進,人們對生活品質的要求也越來越高。在以前,長途跋涉,幾天幾夜不足為奇,今天,旅程超過一天,這滋味也讓人苦不堪言。以前,PC軟件的進度條帶給人期待。今天,進度條卻給人帶來苦惱。Cpu!為什么你不能更快一點呢?
  晶體管工藝已經遵循摩爾定律半個世紀了,晶體管體積越來越小,集成度越來越高,功耗也越來越低,可為什么速度卻沒有同等程度的大幅度提升呢?

  由上圖可以看出。晶體管的工藝越來越高,體積越來越小,然而晶體管的速度似乎已經達到了極限。可以比較明確的看出,晶體管的開關最高速度穩定在4G左右。這和當前的Intel I7系列CPU速度基本吻合。想要超頻只能增加功耗(指數級功耗增長)和降低溫度,然而這兩種方式代價太大。
  現在的軟件開銷越來越大,cpu主頻也無法提升,軟件加速算法也不能改變計算量巨大這一本質,因此大規模的硬件加速得到的廣泛的運用。
  人類的機械設計,結構設計,電子設計其實都算的上是硬件加速,幫助人類提高生活,工作效率。在這里我要類介紹一下當今社會炙手可熱的電子行業里的硬件加速。
  1) 專用ASIC芯片加速
  除了CPU之外。大部分帶處理能力的芯片,其實都算是專用芯片,為其特殊的功能而定制。就那大家最熟悉的芯片來說。顯卡芯片,大家都不陌生,專為顯示而生,由于當前PC的顯示器像素越來越高,顯示效果也越來越復雜。想玩個大型游戲,想看個高清4k電影,工作中渲染個圖片。不得不配一個較好的顯卡,以解決顯示卡頓這一難題,聲卡同樣的道理。手機也是如此,手機的cpu,再結合大量專用IC實現精簡且功能強大的手機硬件系統。

  圖3nvidia顯卡芯片
  優點:運用設計開發簡單,開發收周期短,開發成本低。
  缺點:功能單一,不易更換場合使用,非量產成本較高。
  2) 多核并行處理
  單個CPU不夠用,多個總夠了吧。多核的使用,最大的好處就是,線程真正的實現并行處理了。單個核各干各的,最后在集中處理。N核芯片卻不能帶來N倍的效率,如果軟件處理好的話也許每個核可以達到最高性能的70%,但往往,很難達到。手機性能吃緊的今天,安卓機也必須上多核,雙核,4核,8核,相信16核已經不遠了。
  來看看PC端,民用cpu普遍4核左右。服務器端,CPU最高可達80核!想想80線程并行處理,是不是有點小激動,當然這個錢會讓你更激。

  圖4intel 80核服務器芯片
  優點:PCB設計簡單,性能大幅度提升,價格不算貴。
  缺點:開發難度高,需要大量的官方支持,會浪費很多無用資源。
  3) 系統級硬件定制
  專為系統定制設計IC。首先廠商設計產品時,基本已經確定IC的功能,以及定制軟件軟件所需的硬件環境。在所有參數都基本確定后再去為系統定制ASIC專用芯片。可以說是“硬件為軟件而生,同時軟件為硬件而生”。這樣開發能力,目前來看也只有蘋果可以做到。IPhone在硬件上并沒有超高的配置,但整個系統硬件只為定制的軟件工作,是的硬件的工作效率可以達到最高。蘋果手機快就快在這里,我們來看看蘋果表的芯片設計吧。

  圖5蘋果表的硬件集成封裝
  優點:設計整體達到一個最精簡的程度,將軟硬件做到極致。
  缺點:開發難度太大,普通企業無法實現。
  4) 通用到定制的轉變:FPGA
  FPGA可編程芯片。可以為很多非消費級產品,提供非常高的性價比。
  來看看FPGA一般的用途:

  圖6 CPU 與FPGA的功能描述
  CPU像一個全能達人,什么事情都會,做什么都會很快。
  FPGA像一群智商一般的普通人民,當然有的FPGA里面也有那么幾個全能達人(自帶硬核)。
  全能達人雖然強,但是只有他一個人。普通人民雖然若,但是人口基數大。一旦讓普通人民專注的做一件事情,速度當然會比達人快很多(并行處理)。當然普通民眾還會很多特別的技巧(有的高端FPGA會自帶很多高速模塊 LVDS,GTP等等),這是達人無法學會的。
  說回正題,在嵌入式,通信以及服務器市場,大部分處理器,在各自的設備中一直會執行特定的操作。在處理大數據流時,可以獨立并行處理并搬運。專用芯片,設計相當復雜,環節多,投入高,周期長。一旦出錯,流片損失就是幾百萬美元起。FPGA實現各式各樣的功能,設計完畢即可調試,有錯即改,沒有出錯成本。
  目前FPGA的運用,已經進入大部分行業。(由于成本和功耗的原因,移動終端行業無法進入),成為嵌入式行業當中不可缺少的處理工具。由于FPGA 功能越來越強,芯片公司提供各種功能的算法,接口,存儲模塊,使FPGA開發更加簡單。(但是開發,還是較復雜于軟件)
  IC巨人Intel預見了未來。2015年第二大芯片行業并購案。167億美元拿下Altera。Altera 是FPGA領域不可否認的霸主,也是IC芯片利率唯一一家高過intel的芯片設計公司。Intel在確保獲利的前提下,也為自己的未來進行了規劃。服務器行業需要各式各樣的處理算法來完成服務器的處理工作,然而不同的處理算法服務器的處理事務也不同。微軟BING,百度搜索引擎的服務器均采用FPGA板卡加速,實現相應的搜素算法。處理速度提升兩倍,服務器數量降低一半。Intel 已經開發了內嵌FPGA的xeon至強服務器CPU,2016年即可量產,想必未來的服務器市場必將迎來一次大換血。

  圖7采用FPGA定制的SRC Saturn服務器
  優點:開發速度快,性能強大,而且可以適合多種場景。功能靈活多變。
  確定:開發難度大,FPGA芯片成本相對較高。
  未來誰也說不準,是專用,還是通用,高度集成,還是模塊化分割,時間會給我們答案。
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