改变世界的硬件加速技术

摘要：天下武功，无坚不摧，唯快不破。武林中即使如此，电子行业亦是如此。

社会越来越先进，人们对生活品质的要求也越来越高。在以前，长途跋涉，几天几夜不足为奇，今天，旅程超过一天，这滋味也让人苦不堪言。以前，PC软件的进度条带给人期待。今天，进度条却给人带来苦恼。Cpu!为什么你不能更快一点呢?

晶体管工艺已经遵循摩尔定律半个世纪了，晶体管体积越来越小，集成度越来越高，功耗也越来越低，可为什么速度却没有同等程度的大幅度提升呢?

图1

图2

由上图可以看出。晶体管的工艺越来越高，体积越来越小，然而晶体管的速度似乎已经达到了极限。可以比较明确的看出，晶体管的开关最高速度稳定在4G左右。这和当前的Intel I7系列CPU速度基本吻合。想要超频只能增加功耗(指数级功耗增长)和降低温度，然而这两种方式代价太大。

现在的软件开销越来越大，cpu主频也无法提升，软件加速算法也不能改变计算量巨大这一本质，因此大规模的硬件加速得到的广泛的运用。

人类的机械设计，结构设计，电子设计其实都算的上是硬件加速，帮助人类提高生活，工作效率。在这里我要类介绍一下当今社会炙手可热的电子行业里的硬件加速。

1) 专用ASIC芯片加速

除了CPU之外。大部分带处理能力的芯片，其实都算是专用芯片，为其特殊的功能而定制。就那大家最熟悉的芯片来说。显卡芯片，大家都不陌生，专为显示而生，由于当前PC的显示器像素越来越高，显示效果也越来越复杂。想玩个大型游戏，想看个高清4k电影，工作中渲染个图片。不得不配一个较好的显卡，以解决显示卡顿这一难题，声卡同样的道理。手机也是如此，手机的cpu，再结合大量专用IC实现精简且功能强大的手机硬件系统。

图3nvidia显卡芯片

优点：运用设计开发简单，开发收周期短，开发成本低。

缺点：功能单一，不易更换场合使用，非量产成本较高。

2) 多核并行处理

单个CPU不够用，多个总够了吧。多核的使用，最大的好处就是，线程真正的实现并行处理了。单个核各干各的，最后在集中处理。N核芯片却不能带来N倍的效率，如果软件处理好的话也许每个核可以达到最高性能的70%，但往往，很难达到。手机性能吃紧的今天，安卓机也必须上多核，双核，4核，8核，相信16核已经不远了。

来看看PC端，民用cpu普遍4核左右。服务器端，CPU最高可达80核!想想80线程并行处理，是不是有点小激动，当然这个钱会让你更激。

图4intel 80核服务器芯片

优点：PCB设计简单，性能大幅度提升，价格不算贵。

缺点：开发难度高，需要大量的官方支持，会浪费很多无用资源。

3) 系统级硬件定制

专为系统定制设计IC。首先厂商设计产品时，基本已经确定IC的功能，以及定制软件软件所需的硬件环境。在所有参数都基本确定后再去为系统定制ASIC专用芯片。可以说是“硬件为软件而生，同时软件为硬件而生”。这样开发能力，目前来看也只有苹果可以做到。IPhone在硬件上并没有超高的配置，但整个系统硬件只为定制的软件工作，是的硬件的工作效率可以达到最高。苹果手机快就快在这里，我们来看看苹果表的芯片设计吧。

图5苹果表的硬件集成封装

优点：设计整体达到一个最精简的程度，将软硬件做到极致。

缺点：开发难度太大，普通企业无法实现。

4) 通用到定制的转变：FPGA

FPGA可编程芯片。可以为很多非消费级产品，提供非常高的性价比。

来看看FPGA一般的用途：

图6 CPU 与FPGA的功能描述

CPU像一个全能达人，什么事情都会，做什么都会很快。

FPGA像一群智商一般的普通人民，当然有的FPGA里面也有那么几个全能达人(自带硬核)。

全能达人虽然强，但是只有他一个人。普通人民虽然若，但是人口基数大。一旦让普通人民专注的做一件事情，速度当然会比达人快很多(并行处理)。当然普通民众还会很多特别的技巧(有的高端FPGA会自带很多高速模块 LVDS，GTP等等)，这是达人无法学会的。

说回正题，在嵌入式，通信以及服务器市场，大部分处理器，在各自的设备中一直会执行特定的操作。在处理大数据流时，可以独立并行处理并搬运。专用芯片，设计相当复杂，环节多，投入高，周期长。一旦出错，流片损失就是几百万美元起。FPGA实现各式各样的功能，设计完毕即可调试，有错即改，没有出错成本。

目前FPGA的运用，已经进入大部分行业。(由于成本和功耗的原因，移动终端行业无法进入)，成为嵌入式行业当中不可缺少的处理工具。由于FPGA 功能越来越强，芯片公司提供各种功能的算法，接口，存储模块，使FPGA开发更加简单。(但是开发，还是较复杂于软件)

IC巨人Intel预见了未来。2015年第二大芯片行业并购案。167亿美元拿下Altera。Altera  是IC芯片利率唯一一家高过intel的芯片设计公司。Intel在确保获利的前提下，也为自己的未来进行了规划。服务器行业需要各式各样的处理算法来完成服务器的处理工作，然而不同的处理算法服务器的处理事务也不同。微软BING，百度搜索引擎的服务器均采用FPGA板卡加速，实现相应的搜素算法。处理速度提升两倍，服务器数量降低一半。Intel 已经开发了内嵌FPGA的xeon至强服务器CPU，2016年即可量产，想必未来的服务器市场必将迎来一次大换血。

图7采用FPGA定制的SRC Saturn服务器

优点：开发速度快，性能强大，而且可以适合多种场景。功能灵活多变。

确定：开发难度大，FPGA芯片成本相对较高。

未来谁也说不准，是专用，还是通用，高度集成，还是模块化分割，时间会给我们答案。