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深入浅出计算机组成原理:32-FPGA、ASIC和TPU(上)-计算机体系结构的黄金时代(第32讲)

<h2>一、引子</h2>

过去很长一段时间里,大家在讲到高科技、互联网、信息技术的时候,谈的其实都是“软件”。从1995年微软发布Windows 95开始,高科技似乎就等同于软件业和互联网。著名的风险投资基金Andreessen

Horowitz的合伙人Marc Andreessen,在2011年发表了一篇博客,声称“Software is Eating the World”。Marc Andreessen,不仅是投资人,更是Netscape的创始人之一。他当时的搭档就是我们在前两讲提过的SGI创始人Jim Clark。

的确,过去20年计算机工业界的中心都在软件上。似乎硬件对大家来说,慢慢变成了一个黑盒子。虽然必要,但却显得有点无关紧要。

不过,在上世纪70~80年代,计算机的世界可不是这样的。那个时候,计算机工业届最激动人心的,是层出不穷的硬件。无论是Intel的8086,还是摩托罗拉的68000,这样用于个人电脑的CPU,还是直到今天大家还会提起的Macintosh,还有史上最畅销的计算机Commodore 64,都是在那个时代被创造出来的。

不过,随着计算机主频提升越来越困难。这几年,计算机硬件又进入了一个新的、快速发展的时期。

从树莓派基金会这样的非盈利组织开发35美元的单片机,到Google这样的巨头为了深度学习专门开发出来的TPU,新的硬件层出不穷,也无怪乎David Patterson老爷爷,去年在拿图灵奖之后专门发表讲话,说计算机体系结构又进入了一个黄金时代。那今天我就带你一起来看看,FPGA和ASIC这两个最近比较时髦的硬件发展。

<h2>二、FPGA</h2> <h3>1、我们现代CPU里面,有多少个晶体管这样的电路开关呢?</h3>

之前我们讲解CPU的硬件实现的时候说过,其实CPU其实就是一些简单的门电路像搭积木一样搭出来的。从最简单的门电路,搭建成半加器、全加器,然后再搭建成完整功能的ALU。
这些电路里呢,有完成各种实际内容印象不深,可以回顾一下第12讲到第14讲的内容,以及第17讲的内容。

好了,那现在我问你一个Question,在我们现代CPU里面,有多少个晶体管这样的电路开关呢?这个答案说出来有点儿吓人。一个四核i7的Intel CPU,上面的晶体管数量差不多有20亿个。
那接着Question就来了,我们要想设计一个CPU,就要想办法连接这20亿个晶体管

这已经够难了,后面还有更难的。就像我们写程序一样,连接晶体管不是一次就能完事儿了的。设计更简单一点儿的专用于特定功能的芯片,少不了要几个月。而设计一个CPU,往往要以“年”来计。在这个过程中,硬件工程师们要设计、验证各种各样的技术方案,可能会遇到各种各样的Bug。如果我们每次验证一个方案,都要单独设计生产一块芯片,那这个代价也太高了。

<h3>2、我们有没有什么办法,不用单独制造一块专门的芯片来验证硬件设计呢?</h3>

我们有没有什么办法,不用单独制造一块专门的芯片来验证硬件设计呢?能不能设计一个硬件,通过不同的程序代码,来操作这个硬件之前的电路连线,

通过“编程”让这个硬件变成我们设计的电路连线的芯片呢?

这个,就是我们接下来要说的FPGA,也就是 现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array)。看到这个名字,你可能要说了,

这里面每个单词单独我都认识,放到一起就不知道是什么意思了。

<h3>3、现场可编程门阵列</h3>

没关系,我们就从FPGA里面的每一个字符,一个一个来看看它到底是什么意思。

P代表Programmable,这个很容易理解。也就是说这是一个可以通过编程来控制的硬件。

G代表Gate也很容易理解,它就代表芯片里面的门电路。我们能够去进行编程组合的就是这样一个一个门电路。

A代表的Array,叫作阵列,说的是在一块FPGA上,密密麻麻列了大量Gate这样的门电路。最后一个F,不太容易理解。它其实是说,一块FPGA这样的板子,可以进行在“现场”多次地进行编程。
它不像PAL(Programmable Array Logic,可编程阵列逻辑)这样更古老的硬件设备,只能“编程”一次,把预先写好的程序一次性烧录到硬件里面,之后就不能再修改了。

这么看来,其实“FPGA”这样的组合,基本上解决了我们前面说的想要设计硬件的Question。我们可以像软件一样对硬件编程,可以反复烧录,还有海量的门电路,可以组合实现复杂的芯片功能。

不过,相信你和我一样好奇,我们究竟怎么对硬件进行编程呢?我们之前说过,CPU其实就是通过晶体管,来实现各种组合逻辑或者时序逻辑。那么,我们怎么去“编程”连接这些线路呢

<h3>4、我们究竟怎么对硬件进行编程呢?</h3> <h4>第一</h4>

第一:用存储换功能实现组合逻辑。在实现CPU的功能的时候,我们需要完成各种各样的电路逻辑。在FPGA里,这些基本的电路逻辑,不是采用布线连接的方式进行的,
而是预先根据我们在软件里面设计的逻辑电路,算出对应的真值表,然后直接存到一个叫作LUT(Look-Up Table,查找表)的电路里面。这个LUT呢,其实就是一块存储空间,里面存储了“特定的输入信号下,对应输出0还是1”。

如果还没理解,你可以想一下这个Question。假如现在我们要实现一个函数,这个函数需要返回斐波那契数列的第N项,并且限制这个N不会超过100。该怎么解决这个Question呢?

斐波那契数列的通项公式是 f(N) = f(N-1) + f(N-2) 。所以,我们的第一种办法,自然是写一个程序,从第1项开始算。但其实还有一种办法,就是我们预先用程序算好斐波那契数量前100项,
然后把它预先放到一个数组里面。这个数组就像 [1, 1, 2, 3, 5…] 这样。当要计算第N项的时候呢,我们并不是去计算得到结果,而是直接查找这个数组里面的第N项。

这里面的关键就在于,这个查表的办法,不只能够提供斐波那契数列。如果我们要有一个获得N的5次方的函数,一样可以先计算好,放在表里面进行查询。这个“查表”的方法,
其实就是FPGA通过LUT来实现各种组合逻辑的办法。

<h4>第二:</h4>

第二,对于需要实现的时序逻辑电路,我们可以在FPGA里面直接放上D触发器,作为寄存器。这个和CPU里的触发器没有什么本质不同。不过,我们会把很多个LUT的电路和寄存器组合在一起,

变成一个叫作逻辑簇(Logic Cluster)的东西。在FPGA里,这样组合了多个LUT和寄存器的设备,也被叫做CLB(ConfigurableLogic Block,可配置逻辑块)。我们通过配置CLB实现的功能有点儿像我们前面讲过的全加器。它已经在最基础的门电路上做了组合,能够提供更复杂一点的功能。更复杂的芯片功能,我们不用再从门电路搭起,可以通过CLB组合搭建出来。

<h4> 第三</h4>

第三,FPGA是通过可编程逻辑布线,来连接各个不同的CLB,最终实现我们想要实现的芯片功能。这个可编程逻辑布线,你可以把它当成我们的铁路网。整个铁路系统已经铺好了,
但是整个铁路网里面,设计了很多个道岔。我们可以通过控制道岔,来确定不同的列车线路。在可编程逻辑布线里面,“编程”在做的,就是拨动像道岔一样的各个电路开关,最终实现不同CLB之间的连接,完成我们想要的芯片功能。

于是,通过LUT和寄存器,我们能够组合出很多CLB,而通过连接不同的CLB,最终有了我们想要的芯片功能。最关键的是,这个组合过程是可以“编程”控制的。
而且这个编程出来的软件,还可以后续改写,重新写入到硬件里。让同一个硬件实现不同的芯片功能。从这个角度来说,FPGA也是“软件吞噬世界”的一个很好的例子。

<h2>三、ASIC</h2> <h3>1、专用集成电路</h3>

除了CPU、GPU,以及刚刚的FPGA,我们其实还需要用到很多其他芯片。比如,现在手机里就有专门用在摄像头里的芯片;录音笔里会有专门处理音频的芯片。
尽管一个CPU能够处理好手机拍照的功能,也能处理好录音的功能,但是在我们直接在手机或者录音笔里塞上一个Intel CPU,显然比较浪费。

于是,我们就考虑为这些有专门用途的场景,单独设计一个芯片。这些专门设计的芯片呢,我们称之为 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit),也就是 专用集成电路。
事实上,过去几年,ASIC发展得仍旧特别快。因为ASIC是针对专门用途设计的,所以它的电路更精简,单片的制造成本也比CPU更低。而且,因为电路精简,所以通常能耗要比用来做通用计算的CPU更低。而我们上一讲所说的早期的图形加速卡,其实就可以看作是一种ASIC。

因为ASIC的生产制造成本,以及能耗上的优势,过去几年里,有不少公司设计和开发ASIC用来“挖矿”。这个“挖矿”,说的其实就是设计专门的数值计算芯片,用来“挖”比特币、ETH这样的数字货币。

<h3>2、我们干脆不要用ASIC了,全都用FPGA不就好了么?</h3>

那么,我们能不能用刚才说的FPGA来做ASIC的事情呢?当然是可以的。我们对FPGA进行“编程”,其实就是把FPGA的电路变成了一个ASIC。这样的芯片,往往在成本和功耗上优于需要做通用计算的CPU和GPU。

那你可能又要问了,那为什么我们干脆不要用ASIC了,全都用FPGA不就好了么?你要知道,其实FPGA一样有缺点,那就是它的硬件上有点儿“浪费”。这个很容易理解,我一说你就明白了

<h4>FPGA优点</h4>

当然,有缺点就有优点,FPGA的优点在于,它没有硬件研发成本。ASIC的电路设计,需要仿真、验证,还需要经过流片(Tape out),变成一个印刷的电路版,最终变成芯片。
这整个从研发到上市的过程,最低花费也要几万美元,高的话,会在几千万乃至数亿美元。更何况,整个设计还有失败的可能。所以,如果我们设计的专用芯片,只是要制造几千片,那买几千片现成的FPGA,可能远比花上几百万美元,来设计、制造ASIC要经济得多。

<h4>FPGA缺点</h4>

那么,我们能不能用刚才说的FPGA来做ASIC的事情呢?当然是可以的。我们对FPGA进行“编程”,其实就是把FPGA的电路变成了一个ASIC。这样的芯片,
往往在成本和功耗上优于需要做通用计算的CPU和GPU。那你可能又要问了,那为什么我们干脆不要用ASIC了,全都用FPGA不就好了么?你要知道,其实FPGA一样
有缺点,那就是它的硬件上有点儿“浪费”。这个很容易理解,我一说你就明白了

<h3>3、到底使用ASIC这样的专用芯片,还是采用FPGA这样可编程的通用硬件核心的决策因素总体拥有成本</h3>


实际上,到底使用ASIC这样的专用芯片,还是采用FPGA这样可编程的通用硬件,核心的决策因素还是成本。不过这个成本,不只是单个芯片的生产制造成本,
还要考虑 总体拥有成本(Total Cost ofOwnership),也就是说,除了生产成本之外,我们要把研发成本也算进去。如果我们只制造了一片芯片,

那么成本就是“这枚芯片的成本+为了这枚芯片建的生产线的成本+芯片的研发成本“,而不只是“芯片的原材料沙子的成本+生产的电费”

单个ASIC的生产制造成本比FPGA低,ASIC的能耗也比能实现同样功能的FPGA要低。能耗低,意味着长时间运行这些芯片,所用的电力成本也更低。

但是,ASIC有一笔很高的NRE(Non-Recuring Engineering Cost,一次性工程费用)成本。这个成本,就是ASIC实际“研发”的成本。只有需要大量生产ASIC芯片的时候,我们才能摊薄这份研发成本。

其实,在我们的日常软件开发过程中,也需要做同样的决策。很多我们需要的功能,可能在市面上已经有开源的软件可以实现。我们可以在开源的软件之上做配置或者开发插件,也可以选择自己从头开始写代码。

在开源软件或者是买来的商业软件上启动,往往能很快让产品上线。如果从头开始写代码,往往会有一笔不地的NRE成本,也就是研发成本。但是通常我们自己写的代码,
能够100%贴近我们的业务需求,后续随着业务需求的改造成本会更低。如果要大规模部署很多服务器的话,服务器的成本会更低。学会从TCO和NRE的成本去衡量做决策,也是每一个架构师的必修课。

<h2>四、总结延伸</h2>

好了,这一讲里,我为你介绍了FPGA和ASIC这两种近年来非常时髦的芯片。

FPGA本质上是一个可以通过编程,来控制硬件电路的芯片。我们通过用LUT这样的存储设备,来代替需要的硬连线的电路,有了可编程的逻辑门,
然后把很多LUT和寄存器放在一起,变成一个更复杂的逻辑电路,也就是CLB,然后通过控制可编程布线中的很多开关,最终设计出属于我们自己的芯片功能。FPGA,常常
被我们用来进行芯片的设计和验证工作,也可以直接拿来当成专用的芯片,替换掉CPU或者GPU,以节约成本。

相比FPGA,ASIC在“专用”上更进一步。它是针对特定的使用场景设计出来的芯片,比如,摄像头、音频、“挖矿”或者深度学习。虽然ASIC的研发成本高昂,但是生产制造成本和能耗都很低。所以,对于有大量需求的专用芯片,用ASIC是很划得来的。而在FPGA和ASIC之间进行取舍,就要看两者的整体拥有成本哪一个更低了。

专用芯片的故事我们还没有讲完,下一讲,我们来看看Google开发的TPU,这个近两年最知名的ASIC芯片的故事。

来源:博客园

作者:活的潇洒80

链接:https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11424314.html

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