從CPU到CPU+，從+GPU到+FPGA

隨著通用處理器(CPU)的摩爾定律已入暮年，從美國的微軟、亞馬遜到中國的BAT、華為，幾乎所有的互聯(lián)網(wǎng)巨頭們都在補(bǔ)充他們的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器芯片——CPU，使用可替代的硅來追趕在人工智能領(lǐng)域的急速變化。2012年，微軟開始將支撐了通訊行業(yè)二十年高速發(fā)展的可編程芯片，即FPGA用在其搜索業(yè)務(wù)——Bings上，且公布FPGA相比于CPU在處理Bing的自定義算法時快出40倍，整個系統(tǒng)比Bing現(xiàn)有的系統(tǒng)快出兩倍，因此其可以將當(dāng)前已經(jīng)投入使用的服務(wù)器數(shù)量減少一半。甚至在接下來的幾年里，幾乎任何一個新的微軟服務(wù)都會包含一個FPGA。

那么這個所謂的可編程芯片到底是什么？據(jù)菲數(shù)科技創(chuàng)始人兼CEO王文華介紹，2017年是全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的“爆發(fā)年”，全年新增超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心90余個，總數(shù)量超過390個。且2018年也沒有絲毫放緩的跡象。如此海量數(shù)據(jù)需要計算機(jī)高速計算各種矩陣運(yùn)算、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、壓縮、非對稱加密、搜索排序等。即數(shù)據(jù)中心優(yōu)先于人工智能發(fā)展，這一點也得到了目前在FPGA領(lǐng)域一枝獨(dú)秀的賽靈思的支持。今年3月，其新上任的CEO Victor Peng在采訪中表示，賽靈思已經(jīng)把數(shù)據(jù)中心優(yōu)先放在其三大戰(zhàn)略重點的首位。

而傳統(tǒng)計算機(jī)中無論是CPU，還是作為協(xié)處理器的GPU，都屬于馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，即指令譯碼執(zhí)行、共享內(nèi)存。但由于指令流的控制邏輯復(fù)雜，不可能有太多條獨(dú)立的指令流。為每一個新問題開發(fā)專用的芯片又成本過高，因此，這對硬件算力的性能存在著極大的挑戰(zhàn)。

在以通用處理器計算和特定目的的協(xié)處理器計算混合異構(gòu)工作中，作為有著更加高效的數(shù)據(jù)處理能力和基礎(chǔ)架構(gòu)的FPGA，則延續(xù)了以“CPU+GPU”的第一代異構(gòu)計算，形成了“CPU+FPGA”的第二代異構(gòu)計算。其邏輯是在每一個服務(wù)器與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接的地方部署可編程芯片，在數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器之前提前一步處理它們。

FPGA+云VS FPGA+端，C端市場VS數(shù)據(jù)中心

自成立起便定位于異構(gòu)計算領(lǐng)域的菲數(shù)科技，也是國內(nèi)最早一批專注于云端異構(gòu)加速、高性能計算的創(chuàng)業(yè)公司，其CEO王文華表示，看好FPGA在異構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展主要是基于以下幾個原因。

首先，F(xiàn)PGA之所以比 CPU甚至 GPU能效高，本質(zhì)上是無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)帶來的福利。其每個邏輯單元的功能在重編程時就已經(jīng)確定，不需要指令;其次，對比GPU幾乎只有的數(shù)據(jù)并行，F(xiàn)PGA則同時擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行，可以根據(jù)處理數(shù)據(jù)包的步驟搭建出不同流水線，在GPU的計算單元都按照統(tǒng)一步調(diào)做相同事情時，F(xiàn)PGA早就已經(jīng)分散的處理完了;而即使是吞吐量、延遲和功耗三方面都可一戰(zhàn)的ASIC專用芯片，F(xiàn)PGA也因其可以快速更新邏輯、可編程的萬能部署、保持不同服務(wù)器不同加速卡的同構(gòu)性等優(yōu)勢，解決了前者研發(fā)成本高、周期長等問題，在瞬息萬變的人工智能領(lǐng)域減少了投資風(fēng)險。

比起目前業(yè)內(nèi)為數(shù)不多叫得上名字的創(chuàng)企，如深鑒、地平線等將FPGA的業(yè)務(wù)應(yīng)用在端，即偏向C端的市場化，菲數(shù)科技的業(yè)務(wù)重心則在是FPGA+云，專注于數(shù)據(jù)中心的異構(gòu)加速解決方案，產(chǎn)品形態(tài)包括硬件加速板卡和FPGA加速IP。除了以單個產(chǎn)品切入數(shù)據(jù)中心的大型B端企業(yè)外，菲數(shù)已經(jīng)形成了從硬件板卡，F(xiàn)PGA IP方案到用戶API的完整產(chǎn)品方案。

對此，王文華解釋到，C端市場與數(shù)據(jù)中心是完全不同的市場，雖然都采用FPGA進(jìn)行加速，數(shù)據(jù)中心更多的是關(guān)注性能，而C端更多的是關(guān)注功耗和成本。因此，F(xiàn)PGA在廣闊的C端市場面臨著眾多ASIC解決方案的激烈競爭，而在數(shù)據(jù)中心則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

首先，F(xiàn)PGA豐富的互聯(lián)接口既適應(yīng)于數(shù)據(jù)中心多樣性的業(yè)務(wù)，也適應(yīng)于新硬件的引入，如ssd硬盤或是HBM內(nèi)存等等，具有良好的拓展性;同時它的可重構(gòu)性，也使得它可以在相同的硬件上實現(xiàn)不同的加速功能。這讓其很好的避免了因業(yè)務(wù)方向發(fā)生變化而被淘汰的情況，減少硬件投資試錯成本;其次，F(xiàn)PGA不需要指令，穩(wěn)定而又極低的延遲，也適用于流式的計算密集型任務(wù)和通信密集型任務(wù);再次，CPU+FPGA的異構(gòu)模式，既可以保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的硬件同構(gòu)性，同時又具有實現(xiàn)軟件定義的能力。

當(dāng)然，隨著人工智能在端上的下沉應(yīng)用，對端的計算性能要求也會逐漸向云端的性能靠齊，因而FPGA在復(fù)雜的端設(shè)備的應(yīng)用上(譬如輔助駕駛、機(jī)器人、智能攝像頭等等)也會逐步推廣。

芯片國產(chǎn)化進(jìn)程步履維艱？新興創(chuàng)企征戰(zhàn)藍(lán)海市場

事實上，在與通訊基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的連接上，由于FPGA天然的通訊基因，更是明顯優(yōu)于其它競爭對手。這種架構(gòu)上的優(yōu)勢使其定位并不是某種硬件的替代品，甚至將帶來整個行業(yè)的革命。

而此前Grand View Research的分析，2015年全球FPGA總市場規(guī)模達(dá) 63.6億美元，預(yù)計到2024年將達(dá)到142億美元。目前全球玩家都屈指可數(shù)的賽道無疑是個新藍(lán)海。且由于技術(shù)驅(qū)動發(fā)展，根據(jù)此前巨頭的布局時間和周期，以及菲數(shù)即將推出的新產(chǎn)品，目前處于培育期的FPGA異構(gòu)加速市場極有可能在2019年年初迎來爆發(fā)性增長。

除了對市場方向的堅定，還有自身的專業(yè)。菲數(shù)科技的核心創(chuàng)始團(tuán)隊全部來自FPGA領(lǐng)域巨頭企業(yè)資深人員。創(chuàng)始人兼董事長徐衛(wèi)根，浙江大學(xué)MBA，原UTStarcom研發(fā)副總裁，20年+管理及運(yùn)營經(jīng)驗;創(chuàng)始人兼CEO王文華，浙江大學(xué)碩士，15年+研發(fā)管理經(jīng)驗;技術(shù)團(tuán)隊接近二十人，分別來自美國中國名校、多有UT、華為、諾西等公司多年相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗。

作為國內(nèi)最早一批專注于云端異構(gòu)加速，高性能計算的創(chuàng)業(yè)公司之一，菲數(shù)科技在成立之初即與IBM展開合作，2016年成為OpenPOWER成員;2017年10月成為阿里云異構(gòu)計算生態(tài)共建的合作伙伴之一;其加速板卡的規(guī)格，功能以及完善的技術(shù)支持已經(jīng)獲得市場的認(rèn)可，成為目前的主流產(chǎn)品。

未來在推出人工智能加速平臺1.0后，將會進(jìn)一步的實現(xiàn)FPGA異構(gòu)加速的虛擬化和云化，進(jìn)一步深耕數(shù)據(jù)中心異構(gòu)加速藍(lán)海市場。

中國本土綜合實力最強(qiáng)大的大型IT企業(yè)之一，同時也是菲數(shù)科技的合作伙伴的浪潮集團(tuán)，其高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室陳繼承博士表示，此前GPU趕上了計算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大量調(diào)整的好時代，而用硬件適配軟件、且每種軟件都是最優(yōu)適配方式的FPGA也顯然是下一個爆發(fā)點。在目前還未系統(tǒng)建立生態(tài)、相對空白的市場中，如何將成千上萬FPGA資源池化實現(xiàn)統(tǒng)一部署、動態(tài)重構(gòu)和如何將單個FPGA虛擬化，實現(xiàn)細(xì)粒度資源優(yōu)化利用進(jìn)而實現(xiàn)FPGA異構(gòu)計算的真正落地，是創(chuàng)業(yè)公司的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

另外，浪潮科技作為該領(lǐng)域老牌巨頭，陳繼承也見證了FPGA在云計算領(lǐng)域的發(fā)展，關(guān)于對菲數(shù)團(tuán)隊的看好，其解釋到，在芯片國產(chǎn)化進(jìn)程的今天，創(chuàng)業(yè)公司不僅限制較少、也更為熱情，且對比美國科技產(chǎn)業(yè)化，方向?qū)?、熱情夠的新興創(chuàng)企，成果能更快的被市場認(rèn)可。

2017年3月，菲數(shù)科技曾獲得由中科創(chuàng)星領(lǐng)投的千萬級天使輪融資，目前正在進(jìn)行1500萬—2500萬的A輪融資，主要用于人員擴(kuò)充、產(chǎn)品量產(chǎn)、技術(shù)研發(fā)、業(yè)務(wù)開拓等。值得一提的是，此前菲數(shù)科技已申請4項中國發(fā)明專利，一項美國發(fā)明專利。盡管賽道因為市場紅利期未到使這個高壁壘的行業(yè)玩家多專注在技術(shù)上，但從各家創(chuàng)企在知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)果來看似乎并沒有太垂直的成就。這也讓菲數(shù)科技深耕在技術(shù)領(lǐng)域的專利更具價值。

萬物互聯(lián)的時代，數(shù)據(jù)中心的云化是未來的趨勢。獨(dú)立的、單機(jī)模式的異構(gòu)加速必然要被以FPGA為主體的池化模式所替代。隨著FPGA在數(shù)據(jù)中心方向的逐步發(fā)力，以及相關(guān)生態(tài)的逐步改善，F(xiàn)PGA成為數(shù)據(jù)中心的主流硬件平臺，則是一個正在逐步變成現(xiàn)實的趨勢。