全可編程視角下的未來十年

　　所以一定要讓硅片上的晶體管不能同時(shí)工作，那怎么辦呢?答案是多核。多核不是說我想搞多核，而是不得已而為之。但是如果我還想得到非常高的運(yùn)算能力——1ms要做很多很多運(yùn)算，但是我又不能把所有的晶體管全開開，是不是就矛盾了，沒辦法解決了?那我們?cè)倭肀脔鑿健?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/264521.htm

　　大腦的啟示

　　一個(gè)好消息是晶體管現(xiàn)在已經(jīng)不值錢了，也就是說既然一塊芯片里一定會(huì)有晶體管不開，我們就一定要大大地放縱我們的設(shè)計(jì)空間，我們寧肯用一大堆冗余的計(jì)算單元提前擺在那，用其中一兩個(gè)跑，其它一百個(gè)都不用，這件事是對(duì)的，因?yàn)槟悴坏貌贿@么做。這思路慢慢清晰了。有一種計(jì)算機(jī)實(shí)際上就是這么干的，就是人的大腦。人腦的皮層90%是沒用的，只用其中一小部分。

　　我們?cè)倩剡^來看目前的情況，CPU很有意思，它一天到晚都沒在干正事，都在弄流水線，最后干了一件事啥事?就是做了一個(gè)加法。也就是說百分之七八十的硅片都在為了滿足這一個(gè)高速運(yùn)行的累加器，給它喂飽，喂飽這個(gè)累加器有好多分支預(yù)測(cè)，什么亂七八糟的讀Cache(高速緩存)，就是為了搞高速運(yùn)算的一個(gè)單CPU。這件事情很不合邏輯，我用了這么多硅片，折騰了這么半天，最后算成個(gè)加法!原來，當(dāng)初馮.諾依曼設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的時(shí)候，晶體管和ALU(算數(shù)邏輯單元)很貴，因此利用便宜的memory是很劃算的。馮.諾依曼計(jì)算機(jī)就這么一路走過來，大家也跟著吭哧哼哧地推一步走一步，也不想創(chuàng)新，CPU不停地增加它的時(shí)鐘頻率，結(jié)果到今天再怎么做也難以翻番了。

　　所以有人提出，最好把這套東西全推掉，我全都弄上運(yùn)算單元，這些運(yùn)算單元可根據(jù)計(jì)算的任務(wù)隨意組合，馬上就能做運(yùn)算，動(dòng)態(tài)組合、動(dòng)態(tài)植入，那么整個(gè)面積都是運(yùn)算單元在做事。這件事情實(shí)際上就是我們?nèi)祟惔竽X干的活兒。人類的大腦實(shí)際上是一個(gè)并行的計(jì)算機(jī)。前段時(shí)間，IBM剛發(fā)表一個(gè)消息，說是做了一個(gè)人工神經(jīng)元的超級(jí)計(jì)算機(jī)，最核心的特點(diǎn)就是其神經(jīng)元可以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，也就是說不同的信息他訓(xùn)練兩天之后，它就連接成一個(gè)可操作的部分，而且功耗特別低。

　　沒有處理器，還要做計(jì)算

　　因此，我們要做什么事呢?Computing without Processors(沒有處理器，還要做計(jì)算)，這就是我們今后十年或許能夠應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的法寶。也就是說我們能夠通過硬件的可重組、可重構(gòu)，能夠在硬件層面重組出來正好適合計(jì)算的能力。我們不需要再為流水線、cache發(fā)愁了。

　　Xilinx有個(gè)Vivado-HLS工具，可從C實(shí)現(xiàn)FPGA。你可先做一些低層次的東西，就是所謂的HLS，Vivado-HLS能把算法直接變成硬件實(shí)現(xiàn)，也就說你的計(jì)算單元已經(jīng)沒有CPU了，但又是高效的。如果你嫌煩的話，可以用碎片來做，然后就被大量地收集了，然后它做線上的工具。

　　假設(shè)Xilinx的Zynq處理器就是大腦，有一大堆單元，你什么都想干，但是嫌設(shè)計(jì)太麻煩了，ultrascale構(gòu)架把你要用的東西準(zhǔn)備好，CPU有了，加密引擎一大堆，你要一百個(gè)，還是一萬(wàn)個(gè)加密引擎都行，還有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，你想要什么圖形引擎(GPU)，我給你放上三萬(wàn)個(gè)GPU進(jìn)去，你再用可編程的邏輯把它們連到一起，滿足你的需求。這個(gè)方案功耗既低，速度又快，還全是硬的東西，為什么?因?yàn)榫w管太便宜了，而且我做了一大堆，功能全放那兒，你想用哪一個(gè)都行，這就是Xilinx在做的。

　　當(dāng)然在這上面，編程就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)了。異構(gòu)計(jì)算一定是今后我們要掌握的，這樣才能夠?yàn)楹竺娴氖伦鰷?zhǔn)備。異構(gòu)計(jì)算，Xilinx首推的是用OpenCL來做，因?yàn)樗淮尉幊蹋憧梢栽赑C機(jī)上跑，也可以再把它編程，也可以在CUP上跑，在任何地方跑，而且數(shù)量不限。其核心思想就是異構(gòu)計(jì)算，它不是一個(gè)fancy(幻想)、要跟蹤潮流的東西，而是我們?nèi)绻粦?yīng)用它，大家認(rèn)為很難持續(xù)。Xilinx的Zynq目前是雙核的，可能下一代還有更多核，有一萬(wàn)個(gè)加密單元，都是硬核的，讓你在里面動(dòng)態(tài)組合。

　　對(duì)大數(shù)據(jù)來講，應(yīng)該讓分布式的存儲(chǔ)用起來和RAM一樣是隨機(jī)地存儲(chǔ)，也就是數(shù)據(jù)庫(kù)我們一定要做得跟RAM一樣。怎么做?如果還按照篩選，我要在1ms內(nèi)把一大堆數(shù)據(jù)放到一起篩選，一個(gè)方法就是在它的所謂的控制器里再加上過濾邏輯，這樣，我讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以把我的智能放進(jìn)去，在網(wǎng)絡(luò)上用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)你的功能。

　　小結(jié)

　　異構(gòu)、多核、一大堆晶體管，在1ms內(nèi)要完成大量計(jì)算，這是今后十年業(yè)界要面對(duì)的事。

　　這聽起來很困難，似乎要很多的知識(shí)，什么硬件、軟件知識(shí)，大家很發(fā)怵，認(rèn)為跟蹤該技術(shù)太艱難了。其實(shí)不難，我自己十多年沒寫Code，我專門試一下，我利用在火車、飛機(jī)上的時(shí)間看一看Zynq和Vivado的書和文檔，后來做了實(shí)驗(yàn)，也差不多會(huì)做了?，F(xiàn)在我們的課程，在中山大學(xué)珠海分校，用五天的時(shí)間教大學(xué)本科三年級(jí)的學(xué)生，讓他們能夠在短時(shí)間內(nèi)掌握Z(yǔ)ynq。實(shí)際上，Zynq和Vivado沒什么了不起，只是工具而已。

　　因此，雖然挑戰(zhàn)很大，今后會(huì)有革命性的變化。不過，一旦有新的開始，下決心去試、去做，也沒什么難的。(本文根據(jù)謝凱年在”O(jiān)penHW2014開源硬件與嵌入式計(jì)算論壇“錄音編寫)