FPGA 協(xié)處理的進(jìn)展

FPGA的架構(gòu)使得許多算法得以實(shí)現(xiàn)，較之采用四核CPU或通用圖形處理器(GPGPU)，這些算法的持續(xù)性能更接近器件的峰值性能。隨著對(duì)芯片、算法和庫基礎(chǔ)的集中改進(jìn)，FPGA加速器的基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果不斷提高。就算當(dāng)前最大的FPGA所消耗的功率也不到30W，因此它們可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。在目前出現(xiàn)的幾大行業(yè)動(dòng)態(tài)的共同作用下，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的算法加速更加令人矚目。這些行業(yè)動(dòng)態(tài)包括：

● 當(dāng)前FPGA的容量已足夠容納更大的算法?，F(xiàn)在已經(jīng)有可能將期權(quán)定價(jià)算法或1M點(diǎn)快速傅里葉變換放入FPGA。將算法從CPU中加載到FPGA的延遲時(shí)間小于算法加速所節(jié)省的時(shí)間。

● 單核CPU在功耗和冷卻問題上受到了限制。采用多核CPU的嘗試正在順利進(jìn)行，但現(xiàn)有為單核編寫的軟件必須進(jìn)行重寫，用以支持合理的性能擴(kuò)展。

● FPGA協(xié)處理的主動(dòng)式支持。在某些情況下，這些CPU接口(AMD公司的Torrenza Initiative與Intel公司面向FPGA廠商的注冊(cè)FSB與QPI)支持8 GB/s的速率，寫入等待時(shí)間低于140ns。

較之雙核、四核CPU或GPGPU，F(xiàn)PGA基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果顯示了采用插槽式加速器的優(yōu)異的蒙特卡洛浮點(diǎn)結(jié)果（見表1）。

就結(jié)果而言，運(yùn)行頻率為150～250 MHz之間的FPGA是如何做到優(yōu)于運(yùn)行頻率為2～3 GHz的四核CPU或運(yùn)行頻率為1.35 GHz的128核GPU的呢？正如蒙特卡洛布萊克-斯科爾算法所示，F(xiàn)PGA架構(gòu)具有獨(dú)特的性能，這是產(chǎn)生這一優(yōu)異結(jié)果的原因之一。

FPGA架構(gòu)特征
靈活的FPGA可根據(jù)需要進(jìn)行編程和重新編程。一個(gè)典型的FPGA包括一個(gè)邏輯塊陣列、內(nèi)存塊和DSP塊，它們周邊環(huán)繞著可由軟件進(jìn)行配置的可編程式互連結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。該架構(gòu)確保下列特征的實(shí)現(xiàn)。

● 功能并行：功能的多次重復(fù)

● 數(shù)據(jù)并行：處理數(shù)據(jù)陣列或數(shù)據(jù)矩陣

● 流水化的自定義指令：每個(gè)時(shí)鐘周期輸出流數(shù)據(jù)的一個(gè)結(jié)果

● 超大的主緩沖帶寬與規(guī)模：GPGPU的3～10倍

● 靈活的數(shù)據(jù)通路布線：巨型交叉連通在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸

● 功能和數(shù)據(jù)流的串聯(lián)：均在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成

● 定制片外I/O：所需的協(xié)議、帶寬和延遲

● 可擴(kuò)展的路徑圖：更大的陣列具有充足的空間支持供電與冷卻

顯然，F(xiàn)PGA在并行化與流水化方面存在相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)與GPGPU相比，F(xiàn)PGA在主緩存與帶寬方面也存在優(yōu)勢(shì)。在FPGA中，邏輯資源周圍是存儲(chǔ)器塊。XDI模塊具有一塊帶寬為3.8TB/s的3.3MB主緩存，這是nVidia 8800 GTX型GPGPU上主緩存(支持流處理器)的5～10倍。

FPGA的優(yōu)勢(shì)還在于，可以利用裕量連接帶寬來靈活構(gòu)建直達(dá)各邏輯塊的數(shù)據(jù)通道和存儲(chǔ)器訪問通路。圖1所示的可編程互連結(jié)構(gòu)提供了大量的布線帶寬。模塊與電路板可根據(jù)FPGA輸出帶寬、存儲(chǔ)器大小及延遲的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，I/O端口可由用戶自定義。

圖1 FPGA的架構(gòu)

最后，F(xiàn)PGA架構(gòu)還擁有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它可擴(kuò)展為更大型的邏輯塊、存儲(chǔ)器塊與DSP塊的陣列。邏輯與主緩存的大小是一起擴(kuò)展的。現(xiàn)有最大的FPGA峰值功耗為30W，其FPGA架構(gòu)有很多空間，可以在不超過現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心功率和冷卻限制的前提下，擴(kuò)展為新的處理構(gòu)型。