數(shù)據(jù)中心加速器的芯片市場預(yù)測

數(shù)據(jù)中心市場的加速芯片主要包括CPU、GPU、FPGA和ASIC等。據(jù)Semico Research于2019年5月的預(yù)測，從2018年到2023年的5年間，數(shù)據(jù)中心加速器市場預(yù)計(jì)將從28.4億美元增長211.9億美元，年均增長率為49.47%。其中，FPGA預(yù)計(jì)將是年均增長率最高的細(xì)分市場（如下圖），該增長將由企業(yè)級(jí)工作負(fù)載加速應(yīng)用驅(qū)動(dòng)。

數(shù)據(jù)加速可以分成計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)三大類。有一部分是GPU可以做的，但是另外很大一部分更適合于用FPGA來做加速。

業(yè)界普遍認(rèn)為的性能對(duì)比顯示，相比于傳統(tǒng)CPU，F(xiàn)PGA提升的性能是10~100倍，倍數(shù)變化主要來自不同的應(yīng)用。不僅如此，在提高性能的同時(shí)，F(xiàn)PGA的功耗也會(huì)大幅降低。

從市場上來看，這幾年FPGA加速卡的應(yīng)用越來越多。從下圖右可以看出，F(xiàn)PGA加速卡和服務(wù)器是新的技術(shù)，目前正處于上升期。

業(yè)界的Tier 1客戶，諸如亞馬遜和微軟的數(shù)據(jù)中心在二三年前就已經(jīng)把FPGA加速方案用到他們的數(shù)據(jù)中心。只不過因?yàn)樗麄兪荰ier 1，工程師資源和軟件都有雄厚的實(shí)力，所以可以把芯片直接做進(jìn)服務(wù)器主板里，即嵌入到他們的硬件系統(tǒng)中。但是對(duì)于很多Tier 2和Tier 3的OEM（生產(chǎn)商），或一些小型的數(shù)據(jù)中心及純做軟件的客戶，并不具備這樣的工程資源，所以可以通過采購基于標(biāo)準(zhǔn)的PCIe接口的FPGA加速卡，快速地部署到自己的業(yè)務(wù)和應(yīng)用中。

數(shù)據(jù)中心部署FPGA加速方案有很多好處。①效率方面，F(xiàn)PGA相對(duì)于GPU和CPU有更高的能效比。②FPGA可以根據(jù)客戶的特殊需求重新配置。③FPGA加速卡可以快速部署，使客戶的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用快速地推向市場，而無需把更多的精力和資源放在底層的開發(fā)上。④對(duì)于hyperscaler（超大規(guī)模廠商），也可以做大規(guī)模的部署。

采用Speedster7t獨(dú)立FPGA芯片的VectorPath加速卡

2019年10月，基于FPGA的數(shù)據(jù)加速器件和高性能嵌入式FPGA（eFPGA）半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的領(lǐng)導(dǎo)性企業(yè)Achronix半導(dǎo)體公司，與Molex旗下的一家領(lǐng)先企業(yè)級(jí)FPGA加速器產(chǎn)品供應(yīng)商BittWare聯(lián)合宣布：推出面向高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)加速應(yīng)用的FPGA加速卡。

新推出的VectorPath S7t-VG6加速卡搭載了Achronix采用7nm工藝打造的Speedster7tAC7t1500獨(dú)立FPGA芯片，它在同類PCIe FPGA加速卡中，提供了目前業(yè)界最高性能的接口。這些高性能接口包括1x400GbE和2x100GbE接口，以及總帶寬為4Tbps的8組GDDR6的板上存儲(chǔ)器，使該加速卡成為高帶寬數(shù)據(jù)加速應(yīng)用的理想選擇。

為此，Achronix市場營銷副總裁Steve Mensor和Molex副總裁Sam Bichara向電子產(chǎn)品世界記者介紹了其特色。

圖 從左至右：Achronix市場營銷副總裁Steve Mensor，Molex副總裁Sam Bichara

VectorPath加速卡是基于Achronix新一代的7t的高性能，針對(duì)高帶寬優(yōu)化的一個(gè)FPGA。優(yōu)勢有兩點(diǎn)：①二維的高速片上網(wǎng)絡(luò)，②針對(duì)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化的MLR單元（如下圖）。

因此，數(shù)據(jù)中心開發(fā)人員可以不用關(guān)注硬件，只要采用現(xiàn)成可用的硬件，加上自己的軟件、算法就可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，這樣就可以大大加速部署和開發(fā)。

Achronix的合作伙伴BittWare非常有實(shí)力：有約30年的FPGA加速卡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，于2018年被Molex收購，成為更大規(guī)模公司——Molex的子公司，可以充分利用Molex更廣闊的技術(shù)支持和銷售團(tuán)隊(duì)服務(wù)客戶。

VetcorPath加速卡所具有的功能

VectorPath加速卡系專為高性能和高帶寬數(shù)據(jù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有以下硬件功能：400GbE QSFP-DD和100GbE QSFP56接口；8組GDDR6存儲(chǔ)器可提供4 Tbps的總帶寬；1組帶有錯(cuò)誤檢查和糾正（ECC）功能的、運(yùn)行頻率為2666MHz的DDR4存儲(chǔ)器；Speedster7t FPGA芯片集成了帶寬為20 Tbps的二維片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）；692K的6輸入查找表（LUT）；40K Int8 MAC提供高于80 TOps的算力；OCuLink – 用于連接擴(kuò)展卡的4通道PCIe Gen 4連接器。

VectorPath加速卡包括一整套Achronix的ACE開發(fā)工具，以及BittWare的基板管理控制器和開發(fā)工具包，其中包括API、PCIe驅(qū)動(dòng)程序、診斷自測和應(yīng)用示例設(shè)計(jì)，以提供快速的、開箱即用的體驗(yàn)。

TeraBox FPGA服務(wù)器

TeraBox是基于FPGA的服務(wù)器（如下圖）。在過去BittWare注意到，客戶在買獨(dú)立的FPGA芯片，或者是基于FPGA板卡的加速卡時(shí)，獨(dú)立的板卡放在服務(wù)器中進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是對(duì)于很多Tier 2、Tier 3甚至更小的客戶，沒有時(shí)間、精力以及工程資源去把FPGA卡給集成到服務(wù)器中，因此有一部分客戶需要更高的集成，這樣客戶只需簡單的配置就可以應(yīng)用起來。

TeraBox主要有兩大類客戶，一類是有特殊需求的客戶，他需要把上層軟件快速部署到業(yè)務(wù)中，或客戶需要快速地去展示他們的軟件。另一類是對(duì)于一些IT經(jīng)理，他的技術(shù)水準(zhǔn)不是那么深，因此無需關(guān)注底層，還可以降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以簡單部署，縮短整個(gè)業(yè)務(wù)的上線時(shí)間。

采購TeraBox的另一優(yōu)勢是：傳統(tǒng)的FPGA加速卡，一般只提供一年的質(zhì)保和技術(shù)服務(wù)，但是服務(wù)器一般是3年。

與競品的差異化

除了Achronix之外，另外兩大FPGA廠商此前已推出了加速卡；2019年下半年，兩大FPGA廠商忙于發(fā)布各自的“統(tǒng)一軟件開發(fā)平臺(tái)”，Achronix有類似的軟件平臺(tái)產(chǎn)品嗎？

實(shí)際上，競品的芯片不僅有FPGA、處理器（Arm SoC），還有另外的處理器（例如AI引擎）等。例如AI引擎，X公司的AI引擎底層是Synopsys公司的矢量處理器，但是這種矢量處理器跟Arm CPU是不同架構(gòu)的處理器，再加上外部的高速接口，客戶要面對(duì)3種不同的硬件底層。

“統(tǒng)一軟件平臺(tái)”從表面上看是用同一個(gè)軟件的思維去開發(fā)，但是作為開發(fā)者，處理數(shù)據(jù)時(shí)要考慮哪部分放在FPGA里，哪部分放在CPU里，哪部分放在AI引擎/矢量處理器；另外要考慮互相之間的數(shù)據(jù)怎樣去流動(dòng)，而不是只是簡單的有一個(gè)工具讓你去用。因此，怎樣讓設(shè)計(jì)者很好地利用你的架構(gòu)，對(duì)于軟件工程師是非常有挑戰(zhàn)的。

對(duì)于Achronix而言，走的是另外一個(gè)方向：對(duì)傳統(tǒng)的FPGA做了很多優(yōu)化，諸如二維的高速網(wǎng)絡(luò)；另外，為了提高算力，雖然名字叫機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP），但它不是處理器，它實(shí)際上最底層是一種乘累加陣列（MAC，如下圖），是硬件。所以所有底層的思維還是硬件的思維。

圖 MLP架構(gòu)：專為計(jì)算密集的人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）應(yīng)用而優(yōu)化的Speedster7t

當(dāng)然Achronix也有開發(fā)工具，但是整個(gè)底層架構(gòu)是硬件架構(gòu)，沒有不同類型的單元。Achronix的開發(fā)思路是讓原有的FPGA工程師很容易地去用Achronix的平臺(tái)，而且Achronix的平臺(tái)性能有大幅的提升，甚至軟件工程師通過Achronix的工具也可以很容易去用這個(gè)硬件平臺(tái)。

總之，Achronix的思路是延續(xù)傳統(tǒng)模式，在傳統(tǒng)模式上做進(jìn)一步的優(yōu)化。即硬件軟件化——有很容易用起來的硬件，好像用軟件一樣。例如Speedster7t的二維片上網(wǎng)絡(luò)（如下圖），讓整個(gè)的硬件的設(shè)計(jì)，更像軟件的思維去做。

另外，關(guān)于競品的加速卡，例如I公司，采用的存儲(chǔ)是HBM2，而Achronix采用的是GDDR6，特點(diǎn)是速度快，同時(shí)價(jià)格便宜（相對(duì)于目前業(yè)界通用的HBM2，價(jià)格會(huì)便宜很多），而且HBM2實(shí)現(xiàn)起來也比較復(fù)雜，需要封裝到FPGA上，制造也比較困難。

上市時(shí)間和售價(jià)

VectorPath現(xiàn)在就可以接受訂單，預(yù)計(jì)在2020年第2季度發(fā)貨到客戶。在客戶拿到這個(gè)加速卡之前，客戶現(xiàn)在就可以開始做開發(fā)。加速卡的價(jià)格是7500美元。

總結(jié)

對(duì)于數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算等需要計(jì)算加速的領(lǐng)域，整個(gè)硬件加速市場正在快速增長，CPU已經(jīng)趕不上性能的需求，F(xiàn)PGA是一種高效選擇。

除了極少數(shù)超大數(shù)據(jù)中心有能力和用量可支撐自己建立FPGA團(tuán)隊(duì)，包括硬件團(tuán)隊(duì)去開發(fā)加速卡以外，絕大部分的Tier 2或Tier 3需要去外部采購加速卡，包括相應(yīng)的底層軟件。因此，F(xiàn)PGA廠商紛紛祭出FPGA加速卡。Achronix和BittWare聯(lián)手推出了采用Speedster7t獨(dú)立FPGA芯片的VectorPath加速卡，可以快速部署，簡單易用。相比競品，VectorPath還具有超高性能的特點(diǎn)。