改變世界的硬件加速技術

　　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(yè)亦是如此。

　　社會越來越先進，人們對生活品質(zhì)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(jīng)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(jīng)達到了極限?？梢员容^明確的看出，晶體管的開關最高速度穩(wěn)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(shù)級功耗增長)和降低溫度，然而這兩種方式代價太大。

　　現(xiàn)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(zhì)，因此大規(guī)模的硬件加速得到的廣泛的運用。

　　人類的機械設計，結(jié)構(gòu)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(yè)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?zhèn)€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(jié)合大量專用IC實現(xiàn)精簡且功能強大的手機硬件系統(tǒng)。

　　圖3nvidia顯卡芯片

　　優(yōu)點：運用設計開發(fā)簡單，開發(fā)收周期短，開發(fā)成本低。

　　缺點：功能單一，不易更換場合使用，非量產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)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(yōu)點：PCB設計簡單，性能大幅度提升，價格不算貴。

　　缺點：開發(fā)難度高，需要大量的官方支持，會浪費很多無用資源。

　　3) 系統(tǒng)級硬件定制

　　專為系統(tǒng)定制設計IC。首先廠商設計產(chǎn)品時，基本已經(jīng)確定IC的功能，以及定制軟件軟件所需的硬件環(huán)境。在所有參數(shù)都基本確定后再去為系統(tǒng)定制ASIC專用芯片?？梢哉f是“硬件為軟件而生，同時軟件為硬件而生”。這樣開發(fā)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(tǒng)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(yōu)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(fā)難度太大，普通企業(yè)無法實現(xiàn)。

　　4) 通用到定制的轉(zhuǎn)變：FPGA

　　FPGA可編程芯片?？梢詾楹芏喾窍M級產(chǎn)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(shù)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(zhí)行特定的操作。在處理大數(shù)據(jù)流時，可以獨立并行處理并搬運。專用芯片，設計相當復雜，環(huán)節(jié)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(xiàn)各式各樣的功能，設計完畢即可調(diào)試，有錯即改，沒有出錯成本。

　　目前FPGA的運用，已經(jīng)進入大部分行業(yè)。(由于成本和功耗的原因，移動終端行業(yè)無法進入)，成為嵌入式行業(yè)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(fā)更加簡單。(但是開發(fā)，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(yè)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(guī)劃。服務器行業(yè)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(xiàn)相應的搜素算法。處理速度提升兩倍，服務器數(shù)量降低一半。Intel 已經(jīng)開發(fā)了內(nèi)嵌FPGA的xeon至強服務器CPU，2016年即可量產(chǎn)，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(yōu)點：開發(fā)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(fā)難度大，F(xiàn)PGA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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