FPGA效能大躍進(jìn)的秘密

　　過去，每?jī)赡瓴拍芴嵘F(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)10%的效能，對(duì)于日新月異的網(wǎng)路、電信或云端基礎(chǔ)建設(shè)來說，速度有些慢，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，設(shè)計(jì)過程中將遭遇不少挑戰(zhàn)。其中，提升系統(tǒng)效能及效率、縮減系統(tǒng)尺寸與降低功耗，都是讓設(shè)計(jì)工程師亟需更高效能FPGA的原因。

　　由于FPGA效能提升速度如“老牛拉車”，面對(duì)新一代行動(dòng)通訊技術(shù)如長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)、LTE-Advanced，甚至下一代的5G技術(shù)，對(duì)電信基礎(chǔ)建設(shè)骨干傳輸速度的要求;以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、云端運(yùn)算(Cloud Computing)應(yīng)用對(duì)資料中心網(wǎng)路頻寬的再提升，F(xiàn)PGA勢(shì)必加快效能提升的腳步。所幸，在FPGA業(yè)者的努力下，F(xiàn)PGA效能有突破性的進(jìn)展。

　　Altera資深產(chǎn)品行銷總監(jiān)Patrick Dorsey表示，之前，Altera提升FPGA效能的方式是擴(kuò)展資料傳輸管線(Data Path)，期望越大的管線可以提升資料傳輸?shù)乃俣龋@樣的作法反而導(dǎo)致更難以實(shí)現(xiàn)精確的布線、時(shí)脈(Clock)，以至于FPGA效能提升有限，且總延遲時(shí)間長(zhǎng)。因此Altera新研發(fā)的HyperFlex架構(gòu)則改變作法，取經(jīng)英特爾(Intel)核心布線方式，縮小資料傳輸管線外，并在所有布線上增加10倍數(shù)量的超級(jí)暫存器，進(jìn)而將FPGA效能增進(jìn)2倍之多。

　　而此新架構(gòu)也已實(shí)現(xiàn)在Altera Stratix 10系列，現(xiàn)階段也有業(yè)者以軟體的方式測(cè)試此新FPGA為其系統(tǒng)帶來的好處。

　　刷新高階FPGA性能紀(jì)錄!

　　專注于資料中心(Data Center)、通訊、網(wǎng)路或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)基礎(chǔ)設(shè)施…等系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)時(shí)都相當(dāng)重視三個(gè)關(guān)鍵要素--系統(tǒng)性能與效率、系統(tǒng)整合度與安全性，因此設(shè)計(jì)工程師需要選用高階的現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列(FPGA)，確保產(chǎn)品能符合上述三項(xiàng)需求。然而現(xiàn)有的晶片產(chǎn)品已越來越難滿足日新月異的網(wǎng)路基礎(chǔ)建設(shè)要求，因此FPGA業(yè)者透過暫存器無所不在技術(shù)，將可全面提升FPGA與SoC的效能。

　　剛被英特爾(Intel)收購(gòu)的Altera資深產(chǎn)品行銷總監(jiān)Patrick Dorsey表示，過去每?jī)赡瓴拍軐PGA性能提升10%，因此一般人很難相信如何在間隔一個(gè)世代的產(chǎn)品間，一舉將FPGA核心性能提升2倍、同時(shí)還能減少70%的功耗、提升電晶體密度，并還能擁有全面性的安全防護(hù)特性。祕(mì)訣就在于，利用暫存器無所不在技術(shù)，以及在晶片內(nèi)部?jī)?nèi)建安全元件管理器(SDM)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展促使通訊后端骨干基礎(chǔ)建設(shè)傳輸頻寬與效率須不斷提高，然而受限于晶片內(nèi)部布線方式未創(chuàng)新，導(dǎo)致FPGA性能的提升速度過慢、總延遲時(shí)間高，因此先前FPGA業(yè)者包括Altera或賽靈思(Xilinx)多以增加更寬、更多的匯流排技術(shù)試圖提升FPGA的效能。但結(jié)果則是增加了資料傳輸?shù)嫩杖?、無法時(shí)間更精確的時(shí)脈(Clock)，反而造成工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上遭遇更多難題。

　　物聯(lián)網(wǎng)萬物皆可聯(lián)網(wǎng)的宗旨導(dǎo)致通訊后端基礎(chǔ)建設(shè)的資料傳輸速率也需不斷地提升。

　　有鑒于此，Altera開發(fā)HyperFlex技術(shù)。Dorsey指出，事實(shí)上，HyperFlex是個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念，就是把寄存器放在邏輯單元之中，與FPGA相互配合，亦即Altera在HyperFlex架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)無所不在的寄存器的安放，也就是說在HyperFlex整個(gè)布線中會(huì)有上千萬個(gè)寄存器存在，較過去多上10倍。

　　透過增加暫存器，可使晶片內(nèi)部溝通更有效率，進(jìn)而提升效能。

　　舉例來說，系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)功能要和另一個(gè)功能進(jìn)行溝通時(shí)，通常是在幾個(gè)奈秒(ns)間，就這個(gè)通話溝通過程中會(huì)出現(xiàn)不同波形的轉(zhuǎn)換。所謂系統(tǒng)的性能，實(shí)際上就是這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行通話過程中，它出現(xiàn)最長(zhǎng)的延時(shí)會(huì)是多少，而HyperFlex架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就在于可進(jìn)一步再降低延時(shí)時(shí)間，使系統(tǒng)間的溝通更為快速和順暢。

　　因透過HyperFlex架構(gòu)把整個(gè)系統(tǒng)性能中的時(shí)序進(jìn)行分割，使系統(tǒng)所需的溝通管道變短、變寬，促使FPGA性能提高2倍，相較之下，功耗也可進(jìn)一步降低、晶片面積也會(huì)隨之減少一半。這對(duì)資料中心設(shè)計(jì)工程師來說，過去可能需要使用5顆FPGA，現(xiàn)在僅需一顆即可以讓系統(tǒng)整體功率降低63%。

　　另一方面，在固網(wǎng)光交換系統(tǒng)中，采用HyperFlex架構(gòu)的FPGA，除了效能提升2倍之外，功耗降低40%，且面積縮小30%。Dorsey強(qiáng)調(diào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都希望能透可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬體系統(tǒng)的優(yōu)化和定制化，然在此過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是得在提升效能的同時(shí)，還須降低功耗。HyperFlex架構(gòu)可讓設(shè)計(jì)人員在自己做設(shè)計(jì)的情況下，能實(shí)現(xiàn)硬體定制化。達(dá)到效能和功耗的良好匹配。