新基建需要自適應(yīng)計(jì)算作為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理引擎

1新基建“新”在哪兒

我國正大力發(fā)展新基建。那么，新基建“新”在哪兒？實(shí)際上新在數(shù)據(jù)，即如何做基建以把數(shù)據(jù)的能量很好地釋放出來，使數(shù)據(jù)能更好地流通、更好地改變生活。所以以前的基建是針對人，怎樣改變?nèi)说纳?，如何讓社?huì)高效地前進(jìn)；新基建的特點(diǎn)是 “新”，是圍繞數(shù)據(jù)進(jìn)行的基建。

新基建的七大核心領(lǐng)域就在于數(shù)據(jù)。我國給出了七大領(lǐng)域（如上圖）。其中5G、人工智能、數(shù)據(jù)中心，主要談的是數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化，怎樣把今天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過手機(jī)，通過智能工廠，通過人工智能把它變成一種能夠產(chǎn)業(yè)化的東西。汽車、城際高速、特高壓、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等是非常獨(dú)特的領(lǐng)域，特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生巨量的數(shù)字，同時(shí)它又是傳統(tǒng)行業(yè)。因此，我們要思考怎樣讓傳統(tǒng)行業(yè)利用今天的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能量加速發(fā)展。所以，人們把新基建分成做數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化。

2 數(shù)據(jù)引力帶來了邊緣計(jì)算的需求

為何今天數(shù)據(jù)如此重要？因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)成為一種社會(huì)的能量聚集點(diǎn)之后，會(huì)產(chǎn)生巨大的“數(shù)據(jù)引力”。這種引力會(huì)帶來“數(shù)據(jù)慣性”(Lew Tucker提出的概念)——很多服務(wù)、應(yīng)用向數(shù)據(jù)靠攏（如下圖）。

數(shù)據(jù)的引力對計(jì)算帶來了兩大挑戰(zhàn)。以下以新基建中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來說明。

1）系統(tǒng)的延時(shí)所帶來的訴求。從控制系統(tǒng)角度，控制的速率是由自然數(shù)據(jù)的頻率，也就是自然速率來決定的。根據(jù)Nyquist定理，至少要2倍的采樣頻率才能實(shí)現(xiàn)有效的捕捉信息。對于系統(tǒng)來說，它的要求是更高的，理論上是需要有10倍的采樣頻率要求（如下圖）。

例如，對于較慢的頻率，如燃?xì)獍l(fā)電機(jī)或者是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它們的數(shù)據(jù)頻率可能是在十幾Hz或幾Hz，但是控制速率需達(dá)到10 ms左右。這時(shí)如果對控制系統(tǒng)的作用是通過中央化的處理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，會(huì)給物理限制帶來挑戰(zhàn)。因此無法通過云化來進(jìn)行這樣的控制系統(tǒng)的管理。

2）成本角度。對于計(jì)算中心，同樣是發(fā)電站的數(shù)據(jù)量消耗，左下表列出了各種I/O控制的數(shù)據(jù)量，推斷到每分鐘、每小時(shí)、每天，每月的吞吐量，結(jié)果是是一個(gè)普通的電站所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量至少是在7700 GB以上。以亞馬遜云(aws)的云存儲(chǔ)服務(wù)作為模型來計(jì)算，僅發(fā)電站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本，每月就要超過1.3萬美元。

也就是說數(shù)據(jù)的引力，一方面是數(shù)據(jù)的物理限制導(dǎo)致了本地化部署的需求，另外是數(shù)據(jù)的數(shù)量，二者同時(shí)把計(jì)算推向了邊緣，即加倍的邊緣計(jì)算及智能化帶來了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求（如下圖）。

3 雜亂無章、爆炸性增長的數(shù)據(jù)需要自適應(yīng)平臺(tái)

數(shù)據(jù)今天是以一種什么樣的形式出現(xiàn)？

①是雜亂無序的。

②增長既不是線性的，也不是指數(shù)級(jí)的，而是爆炸性的。線性的，例如隨著手機(jī)用戶的增多，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的量就多了，實(shí)際上，每部手機(jī)的帶寬/數(shù)據(jù)流量是有限制的。但是，今天我們面對的不是這種形式，而是能夠接入的設(shè)備/產(chǎn)生數(shù)據(jù)的端/設(shè)備越來越多，即每個(gè)端都在產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)是怎樣完成傳輸、計(jì)算，從而產(chǎn)生內(nèi)容和意義的？實(shí)際上，它不是一種架構(gòu)就能夠產(chǎn)生。即它已經(jīng)不像以前簡單的諸如通訊里的數(shù)據(jù)，或車?yán)锏臄?shù)據(jù)，而是把短視頻、流媒體等各種不同的數(shù)據(jù)都疊加進(jìn)來。所以，單一的數(shù)據(jù)架構(gòu)無法獨(dú)立完成這種海量數(shù)據(jù)的處理。

為此，自適應(yīng)和智能計(jì)算的領(lǐng)先企業(yè)賽靈思公司（Xilinx）于2018年提出了“異構(gòu)計(jì)算”概念，當(dāng)時(shí)正處于數(shù)據(jù)爆炸的黎明，而異構(gòu)計(jì)算將會(huì)是整個(gè)世界需要的一種計(jì)算模式。

 據(jù)賽靈思介紹，業(yè)界發(fā)現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)在往前演進(jìn)的時(shí)候，產(chǎn)品的迭代周期越來越慢，而不是越來越快。例如，從90 nm到16 nm過程，在制程上每2年左右推出一代新品，或者是容量翻番。但是，隨著進(jìn)入到20 nm之后，芯片的設(shè)計(jì)周期越來越慢。

但從另一個(gè)角度來看，創(chuàng)新是在快速演進(jìn)的。例如通信業(yè)從2G到3G，大約用了三四年的時(shí)間，3G到4G用了約2年，4G到5G用了約5年。但是到了AI，到今天的智能世界，整個(gè)算法的演進(jìn)是非?？斓?，以AI為例，可能算法的演進(jìn)也就是一篇論文的發(fā)表，人們就能發(fā)現(xiàn)一個(gè)全新的世界；與此同時(shí)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在不停地從各種維度更迭。所以今天的創(chuàng)新和芯片的周期變成了一種非常不匹配的節(jié)奏。

因此世界在呼喚一種自適應(yīng)的計(jì)算，它不被芯片的設(shè)計(jì)周期所限制；但是又能同時(shí)在算法演進(jìn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)的時(shí)候來支撐人們的想法，再加上保密性、安全性有改動(dòng)的時(shí)候，以及傳感器和接口數(shù)量不斷增加時(shí)，能夠有一種硬件，讓用戶可以自適應(yīng)地去滿足這些需求（如下圖）。

傳統(tǒng)的CPU在計(jì)算里是最靈活的，但有時(shí)會(huì)效率低下，人們在網(wǎng)絡(luò)里會(huì)不停地提智能網(wǎng)卡；同樣， ASIC又缺乏靈活性。所以，自適應(yīng)平臺(tái)必須是能夠根據(jù)客戶的應(yīng)用特點(diǎn)來不停地變化。賽靈思認(rèn)為自適應(yīng)平臺(tái)最簡單的需求就是DSA（特定領(lǐng)域應(yīng)用），能夠去定義特定領(lǐng)域的架構(gòu)需求。

4 創(chuàng)“新”正當(dāng)“適”——賽靈思的ACAP平臺(tái)

2018年賽靈思推出了區(qū)別于CPU、GPU的一種新型計(jì)算架構(gòu)——ACAP，即自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)（Adaptive Compute Acceleration Platform）。當(dāng)前，我國正如火如荼地開展新基建，賽靈思近日召開線上媒體會(huì)，主題是創(chuàng)“新”正當(dāng)“適”（如下圖）。

賽靈思為什么有信心稱ACAP正適合新基建呢？賽靈思大中華區(qū)銷售副總裁唐曉蕾女士分析道，賽靈思是一直是自適應(yīng)計(jì)算的領(lǐng)導(dǎo)者，適應(yīng)于不同領(lǐng)域的創(chuàng)新，例如以下6個(gè)維度。

1）云端，賽靈思和亞馬遜一起推出了FaaS（FPGA即服務(wù)）；

2）通信領(lǐng)域，任何一種通訊的代際出來之后，業(yè)界往往會(huì)先以賽靈思的基礎(chǔ)架構(gòu)做原型設(shè)計(jì)、測試，甚至有很多客戶直接用賽靈思的芯片去生產(chǎn)。另外，從2G、3G、4G到現(xiàn)在的5G，賽靈思一直陪伴著客戶，甚至有客戶在用賽靈思的產(chǎn)品做6G的前期研究。

3）汽車領(lǐng)域，賽靈思有1.7億顆芯片的出貨量。

4）航空航天領(lǐng)域，是FPGA/自適應(yīng)計(jì)算的第一大的供應(yīng)商。

5）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，市占率70%。 

6）測試和測量領(lǐng)域，全球大部分做IC的封裝測試?yán)镉匈愳`思的產(chǎn)品。

此外，為了契合各種應(yīng)用，賽靈思自身也在“創(chuàng)新正當(dāng)適”，進(jìn)行了硬件和軟件2個(gè)層次的創(chuàng)新。

● 硬件層面。賽靈思是FPGA的發(fā)明者，但是并沒有止步于FPGA，早在2011年就推出了Arm SoC。之后看到當(dāng)FPGA和Arm處理器結(jié)合時(shí)，可以帶來更廣闊的空間：軟件和硬件同時(shí)可編程的平臺(tái)，因此進(jìn)軍軟件業(yè)。其后，賽靈思又繼續(xù)增強(qiáng)Arm SoC的能力，集成了4個(gè)核，推出了MPSoC。接下來，把數(shù)字與RF等模擬集成到一個(gè)平臺(tái)，推出了RFSoC。2018年又祭出了ACAP（自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)）。

2018年推出ACAP，標(biāo)志著賽靈思完成了從器件到平臺(tái)的蛻變。

● 軟件層面。這個(gè)世界越來越是軟件驅(qū)動(dòng)的世界，因?yàn)樵絹碓蕉嗟能浖こ處熀蛣?chuàng)客首先在電腦上做出自己的想法，最后落實(shí)到硬件上。如何讓他們也享受到硬件帶來的便利？為此，賽靈思從器件到平臺(tái)都做了升級(jí)： 

①對于硬件開發(fā)者，繼續(xù)提供Vivado來支持；

②對于嵌入式開發(fā)者，可用MPSoC；

③對于軟件的應(yīng)用開發(fā)者，賽靈思推出了Vitis統(tǒng)一軟件平臺(tái)，使軟件開發(fā)人員和創(chuàng)客可以把想法用傳統(tǒng)軟件，例如Python，在硬件上面實(shí)現(xiàn)，甚至數(shù)據(jù)科學(xué)家也可以在Vitis平臺(tái)上想法實(shí)現(xiàn)出來。

經(jīng)過這樣的調(diào)整，賽靈思適合各種各樣的領(lǐng)域、應(yīng)用（如下圖）。

那么，對于新基建，賽靈思從器件平臺(tái)公司轉(zhuǎn)型具體是怎么實(shí)現(xiàn)落地的？首先是讓客戶去接受賽靈思的產(chǎn)品；然后再根據(jù)客戶的需求做優(yōu)化，并如此反復(fù)迭代——因?yàn)樾禄涞氐倪^程是螺旋式上升的，可能要經(jīng)歷5~10年的漫長過程，所以需要把該落地，能落地的事情先做好，然后在和客戶一起成長。

5 工業(yè)視覺的應(yīng)用

賽靈思面向的市場與新基建非常契合。賽靈思目前正引領(lǐng)的自適應(yīng)計(jì)算在這些行業(yè)領(lǐng)域里是重要的驅(qū)動(dòng)力。

賽靈思新任大中華區(qū)核心市場發(fā)展總監(jiān)酆毅先生介紹了智能工廠等應(yīng)用案例。

智能工廠涵蓋了機(jī)器人的技術(shù)，驅(qū)動(dòng)與電機(jī)的控制，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)與邊緣設(shè)備，工業(yè)PLC/PAC/ IPC，還有I/O模塊和智能傳感器。

與此同時(shí)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)在過去是一個(gè)相對復(fù)雜的開發(fā)環(huán)境，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)包含了嵌入式的開發(fā)，例如需要用到PowerPC和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，這需要開發(fā)團(tuán)隊(duì)和環(huán)境進(jìn)行相關(guān)的硬件平臺(tái)的開發(fā)；再有，傳統(tǒng)意義上的ASIC或FPGA的開發(fā)，需要用到Linux和Arm技術(shù)；軟件或跨平臺(tái)的開發(fā)，需要用到X86和Windows。因此，用戶可能需要組建3個(gè)不同的開發(fā)團(tuán)隊(duì)和環(huán)境（如下圖左側(cè)）。

賽靈思作為異構(gòu)計(jì)算的領(lǐng)導(dǎo)者，具有統(tǒng)一化的異構(gòu)開發(fā)環(huán)境，無論是在云端的開發(fā)者，IT技術(shù)的整合，還有操作技術(shù)的整合，賽靈思的Zynq UltraScale MPSoC平臺(tái)都能讓開發(fā)者在統(tǒng)一平臺(tái)里實(shí)現(xiàn)多核Arm、Linux、實(shí)時(shí)處理和外設(shè)，和可編程邏輯的開發(fā)工作。

6 此次疫情令“創(chuàng)新正當(dāng)適”

全球在蔓延新冠疫情，不過，賽靈思非常幸運(yùn)，盡管疫情給賽靈思造成了很多不便，但整個(gè)產(chǎn)品不管是交付，還是研發(fā)，都在有條不紊地進(jìn)行下去，對產(chǎn)品的推出沒有什么負(fù)面影響。

但是，確實(shí)這次疫情讓人們關(guān)注到了很多不一樣的角度：與傳統(tǒng)不一樣，人們的生活也要“自適應(yīng)”地改變。

賽靈思剛剛過去的2019財(cái)年（2019年4月—2020年3月），是年?duì)I收在突破30億美元關(guān)口之后，達(dá)到了一個(gè)新的高點(diǎn)——超過31億美元。

自適應(yīng)的核心是適者生存。人們正迎來數(shù)據(jù)時(shí)代，像賽靈思ACAP這類的自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)，有望成為驅(qū)動(dòng)新基建等創(chuàng)新的數(shù)據(jù)處理引擎。同樣，人們身處于瞬息萬變的世界，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，只有不斷創(chuàng)新，才能自適應(yīng)于這個(gè)時(shí)代。

圖：賽靈思大中華區(qū)銷售副總裁唐曉蕾，賽靈思大中華區(qū)核心市場總監(jiān)酆毅