英特爾在半導(dǎo)體領(lǐng)域稱雄幾十年，憑借的就是其x86架構(gòu)和曾經(jīng)遙遙領(lǐng)先競爭對手的半導(dǎo)體制造工藝。然而在過去的三四年，英特爾在10納米工藝上卻遇到了阻礙，甚至被曾經(jīng)望塵莫及的競爭對手完成了彎道超車，并紛紛投入量產(chǎn)。痛定思痛的英特爾于2019年，一口氣發(fā)布了四款基于10納米工藝的芯片產(chǎn)品， Agilex™ FPGA 正是其中一款基于英特爾10納米工藝的旗艦級(jí)FPGA產(chǎn)品。 經(jīng)過近兩年的評(píng)估期， Agilex™ FPGA 已于2021年1月進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)出貨。5月13日，英特爾數(shù)據(jù)平臺(tái)事業(yè)部副總裁兼可編程解決方案事業(yè)部(PSG)產(chǎn)品營銷總經(jīng)理Deepali Trehan召開媒體見面會(huì)，并在一對一采訪中向媒體披露了更多技術(shù)細(xì)節(jié)。
Deepali Trehan,英特爾數(shù)據(jù)平臺(tái)事業(yè)部副總裁兼可編程解決方案事業(yè)部(PSG)產(chǎn)品營銷總經(jīng)理
性能巔峰：Agilex™ FPGA簡介
英特爾® Agilex™ FPGA 設(shè)備采用異構(gòu) 3D 系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 技術(shù)，集成了英特爾首款基于 10 納米 SuperFin 技術(shù)的 FPGA 架構(gòu)和第二代英特爾® HyperFlex™ FPGA 架構(gòu)，還集成了四核 Arm* Cortex-A53 處理器，以提供高度的系統(tǒng)集成性。Agilex代表著全行業(yè)最佳的收發(fā)速率，達(dá)到了每秒116Gbps。此外，測試芯片還可以達(dá)到每秒 224Gbps。英特爾® Agilex™ FPGA 目前可提供業(yè)界領(lǐng)先的能效和性能：
相比競爭對手的 7 納米 FPGA，視頻 IP 性能提升了 50%
相比競爭對手的 7 納米 FPGA，結(jié)構(gòu)性能功耗比提升了約 2 倍，有助于幫助數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更加靈活、高能效的設(shè)計(jì)
英特爾® Agilex™ FPGA 將數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和邊緣應(yīng)用的性能平均提升了 45%
相比前代 FPGA，結(jié)構(gòu)性能提升了高達(dá) 49%，可有效支持高速 5G 前傳網(wǎng)關(guān)應(yīng)用
英特爾® Agilex™ FPGA平面圖(未按比例繪制)
據(jù)介紹，英特爾® Agilex™ FPGA 系列包含F(xiàn)、I、M三個(gè)系列，特別適用于需要靈活性，敏捷性和高性能的應(yīng)用，例如邊緣計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)，云或數(shù)據(jù)中心加速器。對于三個(gè)不同的系列，Agilex F系列在量產(chǎn)當(dāng)中，此次重點(diǎn)介紹的正是該系列的產(chǎn)品;I系列在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，預(yù)計(jì)將會(huì)在本季度向客戶發(fā)貨;M系列還在開發(fā)當(dāng)中，目前并沒有公布量產(chǎn)時(shí)間。
Agilex是原FPGA巨頭Altera在2015年底被英特爾收購、并成為其可編程方案事業(yè)部(PSG)后正式推出的一個(gè)全新的FPGA系列。Agilex是Agile(敏捷)和Flexible(靈活)的合二為一，而這兩個(gè)特點(diǎn)正是現(xiàn)代FPGA技術(shù)最為核心的兩大要點(diǎn)。除了Altera的技術(shù)積累之外，Agilex的成功更離不開英特爾核心技術(shù)的加持。對于芯片制程而言，在相同的工藝節(jié)點(diǎn)下，英特爾的工藝往往具有更優(yōu)異的性能，這也是業(yè)界公認(rèn)的事實(shí)?，F(xiàn)如今，英特爾的十納米工藝已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定并量產(chǎn)，這也正是它敢于正面叫板競爭對手的底氣所在。
棋逢對手：與賽靈思的巔峰對決
隨著邊緣、5G網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展，三大領(lǐng)域都呈現(xiàn)了一個(gè)共同的趨勢，即數(shù)據(jù)的爆增，快速變化的環(huán)境，以及對于快速部署的需求。FPGA因其靈活性，在這一個(gè)發(fā)展趨勢中，越來越受到客戶的青睞。為了穩(wěn)固FPGA實(shí)力和擴(kuò)大市場占比，近幾年，賽靈思和英特爾除了升級(jí)自身技術(shù)和產(chǎn)品陣列外，均在并購和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)方面加大了火力，進(jìn)一步挖掘FPGA快速部署的上升空間。
相比其它7納米FPGA的卓越表現(xiàn)
Deepali Trehan提供了一系列 Agilex™ FPGA 與賽靈思7nm Versal進(jìn)行對比的數(shù)據(jù)。英特爾® Agilex™ FPGA -2V FPGA 相對于 Xilinx Versal -2M 的對比數(shù)據(jù)顯示，Agilex™ FPGA比Versal的邏輯結(jié)構(gòu)性能功耗比高約2倍，在視頻IP性能上有超過50%的性能提升，邏輯結(jié)構(gòu)性能功耗比高約2倍。具體：
Warp圖像轉(zhuǎn)換器快32%，
OSVP 1X 可擴(kuò)展視頻處理器快48%，
OSVP 8X 可擴(kuò)展視頻處理器快33%，
MPVDMA 多端口視頻直接內(nèi)存訪問快71%，
Combiner 視頻流合并快73%
據(jù)介紹，Agilex中的視頻IP塊都是由Omnitek所開發(fā)的。Omnitek是一家初創(chuàng)企業(yè)，主打視頻加速與推理，原來的專長是專為賽靈思的FPGA進(jìn)行IP塊開發(fā)。2019年Omnitek被英特爾收購，Agilex中所使用的IP塊就是此前專為賽靈思的設(shè)備架構(gòu)來進(jìn)行開發(fā)的。在Agilex上使用時(shí)，Omnitek基于Agilex的架構(gòu)進(jìn)行了簡要的改變，僅僅改變了內(nèi)存和DSP實(shí)例。
FPGA是一種非常好的能夠提升能源效率的架構(gòu)，可以說它的應(yīng)用非常廣泛，跨整個(gè)數(shù)據(jù)中心、云以及企業(yè)級(jí)，以及通過無線或者是有線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，包括在邊緣采取嵌入式的方式。FPGA最大的價(jià)值在于靈活性，所以它可以服務(wù)于在云、網(wǎng)絡(luò)和邊緣端的各種應(yīng)用程序。雙巨頭格局下，且看FPGA雙雄英特爾和賽靈思還將如何創(chuàng)新，不斷收獲新城池。
黑科技加持：架構(gòu)再次創(chuàng)新
據(jù)介紹，Agilex是專門為以數(shù)據(jù)為中心的世界設(shè)計(jì)的，目的是在數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及移動(dòng)過程當(dāng)中提供行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)力。Agilex的性能特征，包括行業(yè)內(nèi)最高的達(dá)到每秒116Gbps的收發(fā)速率，以及支持PCIe Gen5、CXL與至強(qiáng)進(jìn)行聯(lián)合使用，DDR5、HBM以及傲騰持久內(nèi)存進(jìn)行兼容。對于產(chǎn)品性能，Deepali Trehan表示，英特爾此前對Agilex性能的預(yù)期，是在最大時(shí)鐘速率(Fmax)上比上一代14nm Stratix 10提高40%，但最新的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示是高出了45%的性能。
在設(shè)計(jì)當(dāng)中，Agilex第一款完全從一開始的概念到設(shè)計(jì)、到實(shí)施、到驗(yàn)證以及到最后的生產(chǎn)制造都是端到端在英特爾全方位開發(fā)的FPGA。我們來看看Agilex究竟是通過怎樣的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢的。
10納米SuperFin技術(shù)
Agilex™ FPGA是基于10納米SuperFin技術(shù)，這也是目前世界上最先進(jìn)的FinFET制程技術(shù)之一。它融入了諸多新技術(shù)，比如自對齊四重曝光(SAQP)、鈷局部互連、有源柵極上接觸(COAG)等。SuperFin晶體管技術(shù)的推出，是英特爾有史以來最為強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)。憑借該技術(shù)，英特爾實(shí)現(xiàn)了其新一代的10nm工藝可以媲美其初代的7nm工藝。
此外，Agilex™ FPGA還提供了提供面向FPGA優(yōu)化的金屬層堆疊和晶體管，以及融合了英特爾專有嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)集成的3D異構(gòu)系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)，所有這些都有助于每瓦性能的提升，降低耗散功率，以及減少成本的支持。
新一代HyperFlex寄存器結(jié)構(gòu)
英特爾在Stratix10 FPGA中首次引入了HyperFlex架構(gòu)。它的主要思想就是在FPGA的布線網(wǎng)絡(luò)上，加入很多名為Hyper-Register的小型寄存器，這樣可以把原本比較長的時(shí)序路徑分割成多個(gè)較短的路徑，從而提升FPGA的時(shí)鐘頻率。不過HyperFlex在實(shí)際應(yīng)用中還是存在很多問題，比如很多情況下并不會(huì)用到所有的hyper-register，這就需要每個(gè)寄存器都配備一個(gè)2：1選擇器用來選通。此外，這樣的架構(gòu)還會(huì)帶來較大的額外延時(shí)。在賽靈思推出的ACAP中，引入了名為“Imux寄存器”的新結(jié)構(gòu)，并且對上述問題進(jìn)行了針對性的改進(jìn)。
英特爾在第二代Hyperflex架構(gòu)中也對這些問題進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)，尤其是對互連路由寄存器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以減少延遲和面積，這個(gè)重構(gòu)的互連結(jié)構(gòu)減少了負(fù)載和延遲，用較短的線路替代了高扇出線路，增加了直接邏輯塊輸出，并使用較短的連接改進(jìn)了點(diǎn)對點(diǎn)的路由，減少了延遲并且縮小了面積。并在資源配置上也進(jìn)行了優(yōu)化，從而降低功耗和提高性能。
基于Chiplets架構(gòu)的收發(fā)器設(shè)計(jì)
Chiplets是一種物理IP模塊，它代表了一種創(chuàng)新的方法，被認(rèn)為是處理器的未來。Chiplets通過用多個(gè)較小的芯片代替一個(gè)硅芯片來有效地繞過摩爾定律，這些芯片在統(tǒng)一的封裝解決方案中一起工作。與單片微芯片相比，這種方法提供了更多的硅來添加晶體管。
收發(fā)器眼圖，224 Gbps PAM4測試芯片
在收發(fā)器的設(shè)計(jì)上，Agilex采取了異構(gòu)基于Chiplet的一種設(shè)計(jì)，因此它可以針對具體的應(yīng)用程序需求，可以適用于任何代工廠，制程節(jié)點(diǎn)，以及任何IP開發(fā)商，所以它真正的帶來了一種自由度，使得用戶可以根據(jù)應(yīng)用的需求來具體開發(fā)行業(yè)領(lǐng)先的功能。僅此一項(xiàng)，英特爾就將單個(gè)收發(fā)器通道的速度從58Gbps提升到了代表著全行業(yè)最佳收發(fā)速率的116Gbps。
基于chiplet的開發(fā)，英特爾還在繼續(xù)挖掘。Deepali Trehan說：“Agilex I系列包括一個(gè)特別的chiplet，它支持F系列中沒有的CXL接口;M系列包括一個(gè)增強(qiáng)的核心結(jié)構(gòu)chiplet，讓接口支持DDR5和英特爾傲騰持久內(nèi)存。如果需要，我們現(xiàn)在的測試芯片還可以達(dá)到每秒224Gbps。”
進(jìn)一步優(yōu)化Quartus® Prime軟件
在軟件方面，Intel對Quartus軟件進(jìn)行了極大的優(yōu)化提升，和Agilex同步開發(fā)。Intel優(yōu)化了重定時(shí)感知綜合，包括在布局布線以及全局重定時(shí)算法方面得到了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)它的最大性能，另外通過精細(xì)的寄存器重新定時(shí)和時(shí)鐘偏斜調(diào)度，實(shí)現(xiàn)并發(fā)的建立和保持時(shí)間優(yōu)化，達(dá)到簽核質(zhì)量(signoff-quality)的時(shí)序分析。
Intel同時(shí)還開發(fā)了多個(gè)編譯流程來符合客戶不同的開發(fā)需求，以滿足他們提升運(yùn)行時(shí)間以及快速故障排除方面的需求。通過這些在軟件方面所付出的努力，將編譯時(shí)間下降了45%。同時(shí)Intel又進(jìn)行多達(dá)135種的Design Assistant規(guī)則，以便在規(guī)則方面實(shí)現(xiàn)好的控制。通過這些努力可以實(shí)現(xiàn)快速的編譯以及減少在FPGA方面的迭代的需求。
典型應(yīng)用案例：SmartNIC
SmartNIC是英特爾Agilex™ FPGA和其至強(qiáng)處理器進(jìn)行聯(lián)合使用的一個(gè)很好的例子。基于以太網(wǎng)的NIC如今在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中都得到廣泛使用，提供服務(wù)器、CPU和其它網(wǎng)絡(luò)處理元件的端點(diǎn)連接性能。英特爾在SmartNIC領(lǐng)域進(jìn)行了大量投資，并制定了新產(chǎn)品的長期路線圖，以保持領(lǐng)先優(yōu)勢。
英特爾Agilex FPGA對于快速增長的英特爾SmartNIC品類至關(guān)重要。在至強(qiáng)當(dāng)中插入Agilex FPGA，可以用于至強(qiáng)處理器工作負(fù)載的加速。這樣CPU的一些管理功能進(jìn)行卸載，它可以直接訪問CPU和RAM，而不需要用虛擬化的方式。通過全新的優(yōu)化，英特爾Agilex FPGA提供比競爭對手的7納米FPGA高30%的邏輯結(jié)構(gòu)性能和高2倍的結(jié)構(gòu)每瓦性能，能夠?yàn)镕PGA加速的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高的性能、更快速的實(shí)時(shí)功能和更低的總體擁有成本。
—— 結(jié)束語 ——
當(dāng)前，處理器巨頭都在重點(diǎn)布局5G、數(shù)據(jù)中心和邊緣三大領(lǐng)域。英特爾認(rèn)為，這三大領(lǐng)域的需求多種多樣而且不斷變化，面臨的挑戰(zhàn)是繼續(xù)在核心領(lǐng)域取得進(jìn)步，例如提高數(shù)據(jù)傳輸和處理的性能，同時(shí)還要滿足每個(gè)具體領(lǐng)域的獨(dú)特需求。具體來看，在5G方面，基礎(chǔ)設(shè)施的某些環(huán)節(jié)需要超高能效，而無線應(yīng)用中常見的信號(hào)處理功能需要高性能;在云和企業(yè)領(lǐng)域，不斷變化的基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用加速中有相當(dāng)多的工作負(fù)載需要高性能和高能效;在邊緣，需要更高的計(jì)算力來滿足對更高的交互、更多富媒體內(nèi)容和更低的時(shí)延的需求，同時(shí)仍需滿足嚴(yán)苛的功耗、散熱和空間限制要求。
以數(shù)據(jù)為中心的世界需要更高的能效
所有正在發(fā)生行業(yè)轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)，包括邊緣、5G、云計(jì)算等，背后都是數(shù)據(jù)的爆增所驅(qū)動(dòng)的。無論是網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心還是邊緣都有大量激增的數(shù)據(jù)處理要求，數(shù)據(jù)的爆增正在驅(qū)動(dòng)著比以往更多的對計(jì)算力的要求。因此對于整個(gè)參與處理的所有部件以及產(chǎn)品，提升其性能就變得至關(guān)重要。但性能提升并不意味著功耗的下降。當(dāng)前，能耗的不斷增加導(dǎo)致TCO(即總擁有成本,包括產(chǎn)品采購到后期使用、維護(hù)的成本)巨大的提升，非常缺乏可持續(xù)性，同時(shí)對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。大家都在尋求降低功耗的方式，降低功耗的目的是一方面去滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求，另一方面也要不斷提高能源效率來降低功耗，也就是說大家關(guān)注的是每瓦性能這樣的指標(biāo)。越高的每瓦性能就越好，這意味著能有更優(yōu)的計(jì)算力以及更少的能源消耗。
除此之外，還需要更高的靈活性。要想成功，解決方案提供商必須通過得到良好支持的開發(fā)流程快速地把處理、內(nèi)存、數(shù)字信號(hào)處理、專門接口和FPGA靈活性整合到高度集成化的組件中，滿足目標(biāo)市場的確切需求。英特爾正在轉(zhuǎn)型以加速增長。他們已經(jīng)圍繞關(guān)鍵轉(zhuǎn)折性技術(shù)建立了龐大的業(yè)務(wù)，例如云、人工智能、5G和智能自主邊緣。英特爾擁有針對從邊緣到云的工作負(fù)載的廣泛計(jì)算架構(gòu)，而英特爾FPGA產(chǎn)品是其中的關(guān)鍵組成部分。Deepali表示：“就是對于靈活性需求非常高的時(shí)候。加速器方面，可以說發(fā)展變化十分迅速，同時(shí)會(huì)不斷涌現(xiàn)出新的用例。一切都是基于應(yīng)用的，英特爾提供全方位的選擇，同時(shí)我們又提供統(tǒng)一開發(fā)的策略。”
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