FPGA的过去，现在和未来

我们知道，相对于专业的ASIC，FPGA有上市时间和成本上的优势。另外，在大多数情况下，FPGA执行某些功能较之CPU上的软件操作更高效。这就是为什么我们认为它不但会运用在数据中心的服务器、交换器、存储层的各个角落，并且具有加速整个工作流程的功能。

然而我们不能过分乐观，尤其是在2015年12月，Intel以167亿美元收购了FPGA生产商Altera之后。

在2014年年底，当时还处于独立的Altera公司高层盯上了基于CPU+FPGA的数据中心并行计算的发展前景——这个当时价值大约10亿美元的市场。而并非数据中心里约2.5亿美元的CPU-GPU市场和直接应用CPU处理器的90亿美元市场。

Altera做出这个决定的原因在于他们认为这个组合较之另外两个方案，有编程的简便性和能效优势。人们对CPU非常熟悉，并发现寻找C程序员也不会太难。因此对大部分开发者来说，在执行运算任务的时候，持续使用这种方案不需要冒太大的风险，但是能源效率相对比较低，尤其是在密集的计算和固有的并行工作负载的情况底下。

至于CPU+GPU的方案，程序员并不是很熟悉，但是拥有很高的效率。

根据Altera的估计，使用OpenCL对混合CPU-FPGA系统进行编程比使用Nvidia的CUDA环境对于程序员来说更容易（某些方面肯定是有争议的），但用HDL来硬编程FPGA是相当困难的，因此需要OpenCL或者通过其他抽象层来将CPU中的负载转移到FPGA上。

Intel收购Altera改变FPGA格局

这个十亿美元的数据中心市场被Altera、Xilinx和其他FPGA供应商瓜分。在Intel于2015年6月收购了Altera之后，这个市场变得更加复杂。

在收购之前的2014年，Altera的19亿美元收入中，有16%来自于与数据中心相关的计算、网络和存储业务，其总值达到3.04亿美元。那些在这个领域深耕十几二十年的通信和无线设备系统制造商想要有更高的能源效率，更低的成本和更高的扩展性，这些都是FPGA所擅长的领域。另外有一点需要提一下，那就是在执行这些功能的时候，使用FPGA并不需要像使用CPU那样需要操作系统和相应的软件。这部分的营收占了Altera营收的44%，总额为8.35亿美元。

Altera另外的22%收入，即4.18亿美元，来自工业控制、军事设备和汽车制造等领域。他们面对相同的困境，因此选择FPGA来处理他们的一些工作负载。

其实早在2014年，英特尔看中了价值1150亿美元的各种类型的芯片潜在市场。当中可编辑逻辑设备（以FPGA为主）约占4%，ASIC占18%，其余为ASSP的大杂烩。

在可编辑逻辑设备的领域中，英特尔预估Altera占有48亿美元市场中的39%，Xilinx占有49%，剩下供应商则占据剩下的12%。

当时英特尔没有收购Altera的原因是因为FPGA业务的增长速度几乎与其数据中心集团（为服务器，存储和交换机制造商提供芯片，芯片组和主板）的速度一样快。

再者，英特尔没有这样做也是因为摩尔定律逐渐缓慢下来的脚步，给FPGA带来了日益增长的竞争威胁。

实际上，如果应用的话，在数据中心里不止安装一个FPGA、GPU或DSP加速器，但不需要安装多个Xeon CPU。由于英特尔不能继续为Xeons提供更多的核心和加速器，所以他们得出了将FPGA当做加速器的结论。

除非FPGA能在数据中心创造5亿美元的收益，或者几年后创造10亿美元或更多的收入。不然英特尔宁愿牺牲两至三倍的Xeon收入，也不会把Xeon的收入拱手相让。

深度学习加持，FPGA前景可人

根据英特尔的预测，他们计划从现在到2023年以接近直线增长率来提升FPGA的业务。对此我们总是抱有怀疑的态度。但FPGA业务随着时间的推移或多或少地在增长（比15年前增长约2.5倍）。

英特尔还预计，FPGA的营收在2014年到2023年之间将会再翻一倍。按照英特尔预测，从2014年到2023年间其复合年增长率为7％，其收入应该略低于预测的89亿美元。有趣的是，由于英特尔的预测并没有把来自数据计算中心（服务器，交换和网络）的FPGA收入份额纳入计划中，这将会发生很大变化。让我们分析一下：

如果Altera和Xilinx的市场份额没有发生改变，且假设Altera的收入在网络，计算和存储的部分保持不变，那么Altera这一部分的业务收入到2023年将会达到5.6亿美元左右。我们认为Intel这样的数据低估了数据中心在提供更有效和灵活计算所面对的压力。不给过我们认为FPGA的前景远远优于这个预测。也就是说，许多FPGA技术的支持者一直期待FPGA在数据中心中获得计算合法化的那天很快到来。

讽刺的是，英特尔本身作为FPGA的编程专家，硬件描述语言的使用者，以及知名的ASIC制造商，竟成为推动FPGA成为加速器优先选择的主要参与者。这样的加速器既能作为独立的离散计算元件，又可以作为混合 CPU-FPGA器件。

这也是为什么从2016年以来，我们看到所有关于Altera的新闻都是昭示FPGA将会有的大规模增的增长。所以至少在短期，他们除了为其他的FPGA制造商作嫁衣裳，几乎别无他法。

这次收购不仅是FPGA发展的里程碑，也是英特尔对FPGA巨大的潜力的承认。FPGA作为未来强大的计算加速器，不但影响主要企业的决策和市场趋势，而且加速企业中的工作负载，促进超大规模数据中心的内部搜索，以及提高高性能计算模拟的地位。

在跨越2017年之际，FPGA在应用程序中等级中新增了机器学习和深度学习，这给FPGA产业敲下了又一重锤。

为什么大家都青睐FPGA

首先，编程FPGA的软件栈已经演进了，尤其是在Altera的帮助下，FPGA增加了对OpenCL开发环境的支持。但不是每个人都是OpenCL的狂热粉丝。

先有Nvidia为其Tesla GPU加速器创建了自己的CUDA并行编程环境。再有SRC计算机公司不但早在2002年就为国防和智能领域提供混合CPU-FPGA系统，到了2016年年中，进一步将自己研发的Carte编程环境进入了商业市场，这个编程环境可以使C和Fortran程序自动转换为FPGA的硬件描述语言（HDL）。

另一个推动FPGA被采用的因素是随着芯片制造技术难以持续缩进，多核CPU性能的提高越来越艰难。 虽然CPU的性能获得了大跳跃，但主要用于扩展CPU的性能吞吐量，而不是单个CPU内核的个体性能。（我们知道架构增强是有难度的）。但是FPGA和GPU加速器的每瓦性能都有了令人信服的改进。

根据微软的运行测试，在执行深度学习算法的时候，CPU-FPGA和CPU-GPU混合计算在的每瓦性能也不相伯仲。GPU在运行中更热和有类似的每瓦性能表现，但是同时他们也带来了更强的工作能力。

提高了每瓦性能解析了为什么世界上最强大的超级计算机在20世纪90年代后期转移到并行集群，并且解析了为什么现在他们转向了混合机器，而不是英特尔的下一个以 CPU-GPU为混合主力的Xeon Phi的处理器“Knights Landing （简称KNL）。

在Altera FPGA协处理器和Xeon Phi处理器Knights Landing的帮助下，英特尔不但可以保持自己的在高端的竞争优势。并且在与Nvidia 、IBM和 Mellanox组成的Open power联盟竞争中继续领先。

英特尔坚信超大规模计算，云端和HPC市场的工作负载会快速成长。为促进其计算业务继续蓬勃发展。这情况下只能成为FPGA的卖家，否则别人就会抢去这唯一的出路。

但英特尔并不是这样跟大家说。他们说：“我们不认为这是一种防守战或者其他，”英特尔的CEO Brian Krzanich在Altera收购消息后的新闻发布会上说。

“我们认为物联网和数据中心都是庞大的。这些也是我们的客户想要构建的产品。我们30％的云端工作负载将在这些产品上，这是基于我们对如何看待趋势变化以及市场发展的预测。

这是用来证明这些工作负载能以一种或另一种方式转移到硅中。我们认为最好的做法是使用有业界最佳性能和成本优势的Xeon处理器和FPGA组合。这将给工业领域带来更好的产品和性能。而在IoT中，这将扩展到潜在市场对抗ASIC和ASSP；而在数据中心中，则会将workload转移到硅，推动云的快速增长。

Krzanich解释道：“你可以把FPGA想象成一堆gate，且能够随时编程。根据他们的想法，其算法会随着时间的推移和学习变得更聪明。FPGA可以用作多个领域的加速器，可以在进行加密的同时进行面部搜索，而且能在基本上在微秒内重新编程FPGA。这比大规模的单个定制部件的成本低得多且具备更高的灵活性。”