硅谷探秘:FPGA+OpenCL双剑合璧助力Altera进军数据中心

2014-10-10 17:35:24来源: EEWORLD

     半导体行业的趋势是什么?在当前科技日新月异、需求层出不穷的背景下,芯片厂商如何找准自己的定位以不被时代淘汰?近日,EEWORLD记者有幸借助在硅谷举办的euroasia PRESS 拜访Altera公司总部,并从Altera公司总裁、CEO兼董事会主席John Daane先生以及Altera高级副总裁Jeff Waters先生那里得到了他们的答案。

图1 Altera公司总裁、CEO兼董事会主席John Daane先生


迎合半导体发展趋势,Altera蓄势待发

     Daane已经在Altera担任CEO一职近14年,而这几乎是Altera公司31年历史的一半,也见证了Altera从CPLD到FPGA再到SoC的华丽转身。Daane回忆说:“在2003年11月的一个国际会议上我就说过,行业在改变,为了应对持续增加的设计成本,具有可编程功能的设备将更具竞争优势,那时有人当面质疑我的观点。11年过去了,时间证明‘可编程’的趋势已经发生,并且还将继续在更多领域发酵,并最终替代ASSP和ASIC。”

    除了可编程性之外,Daane还总结了半导体行业的4大趋势:持续增加的研发成本、更大的差异化、无限的带宽以及严格的系统功率要求。

    Daane举例说:“我投资1.3亿美元去研发一个28 nm的芯片,投入包括EDA工具和工作站等。如果你将公司营收额的20%进行研发,你可能得到5倍的回报。近几年,Altera研发投入都保持每年增长30%。2013年,Altera的营收额达17.32亿美元,研发投入就高达3.85亿美元。鉴于经济逐渐向好,Altera在2014年表现抢眼,其中基础设施建设起了很大的推动作用,而最大的刺激来自无线和工业。2014年第二季度的营收比2013年同期增长了约7亿美元,我们也相应增加了研发投入,预计今年会花费4.3亿美元用于研发,包括OpenCL、Quartus II软件、各种IP以及芯片本身。”结果也证明多年的铺垫、耕耘以及巨额的研发投入已经让Altera变得更强。目前Altera分布在20个国家,有3000名员工,凭借17.3亿美元的收入成为全球可编程半导体业的领导者,毛利率高达70%,是行业增长最快的。其也曾被福布斯评为全球100家最具创新力企业之一,被SiliconVally.com评为硅谷50强企业。

    针对差异化,Daane表示:“我们和竞争对手涉及的领域其实有一些是没有太大增幅的。如果你回顾一下,一些产业在2010年才增长2%甚至更少,例如电信行业,基本上都没有增长。目前我们的很多竞争者都在高端技术上较量,而当你与竞争对手产品相似时,只有以低价来进行竞争,但这是不明智的,也是很多厂商不愿意做的,像是杀鸡取卵。因此现在大家都选择差异化竞争,而且要迅速地实现差异化,但是差异化竞争确实很激烈和残酷。如果你花2~3年的时间才完成一个硬件系统,你的竞争者很容易就赶上甚至超越你,如果你的设备都是可编程的,做差异化只需要通过软件编程改变FPGA软件包来更新系统,这样就可以领先于竞争者。”

    “对带宽的要求给设备厂商很大的压力,因为是在不增加成本的基础上提高带宽。此外,系统功率要求也越来越高。在固定大小的设备中,人们不断增加新的功能,而总功耗不变,这就必须要减小器件功耗。”Daane说。

    据统计,数据中心功率和散热成本每年高达300亿美元,是购买服务器的4~5倍。因此云服务公司开始把目光转向FPGA以期降低高昂的电费等使用成本,这就给Altera很大的机遇和挑战。
FPGA结合了软件编程和硬件加速,既有DSP这类通用处理器的高灵活性,又有ASIC、ASSP类专用集成电路的高效率,并实现了高性能和低功耗,这也是FPGA自问世就备受推崇的重要原因。Daane强调:“有一点很重要,不是所有的功能都能够用一个器件或者一种架构实现,而是结合起来,把他们系统地结合起来,这就是为什么FPGA也加入了很多元件,包括微处理器、DSP以及模拟部分,我们尽量把有用的资源融入到FPGA中。而最终是用户受益,我们为他们创造了灵活的、容易做差异化的、可编程的FPGA。”

进军数据中心 布局未来世界

    “未来所有的企业都将是互联网公司”的言论在互联网上疯传,也给了很多公司启示。随着物联网的蓬勃发展,与其相关的大数据、软件定义数据中心和云计算等成为热门应用,计算和存储市场成为很多公司的涉猎对象,Altera也不例外。Waters介绍到:“凭借我们优秀的产品,计算和存储市场已成为Altera成长最快的市场,并且在该领域成为最大的FPGA供应商。”

     Waters把影响数据中心的趋势归纳为:网络加速(减少内存瓶颈,降低延迟),管理电能和冷却,CPU卸载以及数据接入(分析、挖掘和访问加速)。而数据中心的挑战主要来自CPU和存储的瓶颈。CPU架构对于绝大多数并行计算应用(如大数据、搜索)并不高效,这导致过度的功率消耗,CPU的瓶颈让其对数据的处理消耗了过多的资源,这导致性能降低(高延迟)。目前市场的应对策略就是定制硬件和架构,谷歌、IBM、惠普和Facebook等知名企业都这样做了。

    FPGA在软件定义数据中心所起的作用是什么呢?主要有资源分享,即计算、存储和网络的虚拟化;加速器,包括网络加速、管理程序卸载、数据访问加速和算法加速;集群计算(CPU和FPGA)以及集群互连。

    FPGA具有超并行体系结构,包括10~100倍的计算单元,允许在单时钟周期内支持多个或不同指令的并行设计,更好的局部存储器避免了瓶颈,此外其可编程性可实现特定应用的加速。这些特性都使得FPGA增加了数据中心的效率,通过算法加速和最大限度地减少瓶颈,FPGA能够极大地提升基于CPU的数据中心处理能力,实现每瓦特性能超过10倍的增长。

    据悉,微软研究院Doug Burger已经在试验一种新的处理器系统来驱动必应Bing服务的后端,这套系统就是由Altera的FPGA 驱动,将以更高效率执行特定的搜索任务。这个计划被命名为 Project Catapult,微软研究院已经测试了1632 台服务器群,每一台服务器都有英特尔 Xeon 处理器和包括 Altera FPGA 处理器的子卡,来验证 Doug Burger 的理论。结果 FPGA 处理的性能是原来 CPU 的 40 倍,但由于一些工作仍由原来的处理器处理,总体性能是原来的 2 倍,已经是非常可观的结果,而且更省能源。由于效果十分理想,微软计划从2015年开始在其数据中心中部署FPGA。

    下表为在搜索、图形缩放、金融建模应用中分别用Intel Xeon (w3690)、NVIDIA Tesla(C2075)以及Altera FPGA加速以后的功耗和性能对比,可以看出,Altera FPGA在各方面遥遥领先。

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

OpenCL助FPGA改变数据中心游戏规则

    由于软件是实现差异化的重要一环,很多公司在软件上的投入甚至已经超过了硬件本身。为了让数据中心客户更好地使用FPGA,Altera开发了支持OpenCL的设计工具,以让FPGA编程更友好,软件开发者可直接用C语言对FPGA进行编程,实现每瓦特最好的性能。

    Waters自信地表示:“Altera 的OpenCL对数据中心将有深远的影响,预计到2016年,50%的Altera数据中心生意将采用OpenCL,6个最大的服务器提供商中的4个以及5个最大的投资银行中的3个都选择了Altera OpenCL。”

    OpenCL的支持改变了游戏规则,帮助FPGA渗入主流异构计算的世界。FPGA+OpenCL双剑合璧可以让在线搜索更加快速。中国的搜索巨头百度就采用Altera FPGA+OpenCL作为搜索加速,百度在云数据中心使用FPGA加速,这将对开发更准确、更快的在线搜索功能起到关键作用。FPGA满足了搜索、大数据和深度挖掘这类应用的复杂要求。

    软件定义数据中心是一个正在茁壮成长的市场。目前,数据中心给FPGA带来了约2亿美元的市场,但是Waters预计到2020年该市场将达到10亿美元的规模。Waters表示,Altera凭借性能+效率的定位再加上OpenCL,充分满足了软件定义数据中心的需求。

    在过去6个月,Altera相继发布了Arria 10、Stratix 10以及MAX 10 FPGA及SoC系列,它们都属于Altera“第10代”(Generation 10)产品,为Altera第4个十年开启了加速创新模式,我们也将持续关注Altera的创新成果如何给市场带来的活力。

    全球现代科技的创新之源无疑是美国的硅谷。在硅谷,集结着美国各地和世界各国的科技人员达100万以上,美国科学院院士在硅谷任职的就有近千人,获诺贝尔奖的科学家就达30多人。作为电子行业领先媒体,EEWORLD专程前往美国硅谷,探访全球顶级的芯片公司,从科学研究、技术开发和生产营销等诸多方面发掘他们的优点,为中国读者带来最新鲜的技术报道,为中国科技特别是集成电路产业做出贡献。

 

关键字:Altera  数据中心  FPGA  OpenCL

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2014/1010/article_3512.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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