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从Agilex FPGA看英特尔六大支柱如何重新定义产品设计新模式

www.sytfyd.com2019-08-02

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两个月前,在英特尔收购FPGA巨头Altera四年后,英特尔推出了下一代FPGA产品 Agilex,该产品是“全功能”开发的。与Altera之前的Stratix,Arria,Cyclone,Max和其他产品系列一起,Agilex是一个新的FPGA系列,“体现了您可以想象的所有与英特尔相关的技术资源”,并且更受英特尔的青睐。期待。

这里提到的“相关技术资源”基本上相当于英特尔在2018年底提出的流程和封装,架构,存储器和存储,互连,安全性和软件的“六个技术支柱”。虽然当时英特尔正式声明它将尽快将六个技术支柱应用于整个工程部门,但它将在即将推出或即将推出的产品和技术计划中实施。但在不到半年的时间里,Agilex FPGA已经成为“六大技术支柱”的最佳载体,而英特尔强大的系统开发和集成能力也是显而易见的。

一瞥整只豹子

Agilex是敏捷和灵活的结合,这两个特性是现代FPGA技术的两个核心要点。 2015年,英特尔承诺在未来根据不同的客户需求提供不同的异构架构,包括:分立CPU + FPGA,封装集成CPU + FPGA和Intel CPU/FPGA/ARM A芯片集成FPGA。

原因很明显。通过集成,不仅可以减少延迟,提高性能和性能/瓦特,还可以统一处理器和FPGA之间的工具流程,为不同的性能要求提供更广泛的架构支持。四年后,Agilex FPGA通过异构架构实现了灵活性和定制方面的突破,实现了不同工艺几何和不同逻辑单元的集成。

根据英特尔2月份的基准测试,Agilex将其最大时钟频率(Fmax)比Stratix 10提高了40%,同时总能耗降低了40%。此外,Agilex的DSP性能高达40 TFLOP(FP16配置)和92 TOP DSP性能(INT8配置)。

坦率地说,Agilex FPGA无法实现基于异构架构的上述性能指标。那么,Agilex FPGA中隐藏的未知“黑色技术”是什么?

.10纳米工艺和先进的3D封装

对于具有“端到端”解决方案的英特尔等半导体巨头而言,拥有先进的半导体工艺技术和封装技术是构建领先产品的基础和关键。在建筑日和随后的CES 2019展会上,英特尔展示了云端到终端10nm产品,包括“Ice Lake”PC处理器,“Lakefield”客户端平台,“Snow Ridge”网络系统芯片和“Ice Lake” “。 “英特尔至强可扩展处理器,以及2018年推出的外部多芯片互连桥接(EMIB)封装技术,是另一个”里程碑式“创新突破性的”Foveros“3D封装技术。

为确保一致的性能,Agilex FPGA器件核心的FPGA逻辑结构芯片也采用英特尔10nm芯片工艺技术构建,该技术是世界上最先进的FinFET工艺技术之一。与此同时,Agilex还采用了英特尔专有的嵌入式多芯片互连桥接(EMIB)集成3D异构系统级封装(SiP)技术,该技术提供了一种高性能,低成本的方式来帮助Chiplet与FPGA集成逻辑结构芯片进入同一封装。

。第二代Intel HyperFlex架构和Chiplets架构

Agilex FPGA的逻辑架构芯片采用第二代Intel HyperFlex架构。除第一代架构外,第二代架构还可提高整体架构性能,同时最大限度地提高整个核心架构中Hyper-Registers的整体架构性能。功耗降低到极限,最重要的改进之一是在超级寄存器中增加了高速旁路。

Chiplets是一个物理IP模块,通过封装级集成方法和标准化接口集成其他Chiplet。利用Chiplet的混合配置模式,收发器的数量不再受通道数量的限制。为了增加或减少收发器通道的数量,设计人员只需添加所需的收发器Chiplet,而无需重新布局芯片以集成不同数量的通道。仅此而言,英特尔已将单个收发器通道的速度从58 Gbps提高到112 Gbps。

。高性能处理器接口

作为数据中心CPU的硬件加速器,它是当前FPGA加速模型训练,金融计算,网络功能卸载等深度学习应用的主要应用场景。然而,在该领域中迫切需要解决的核心问题之一是高速缓存一致性。换句话说,有必要澄清CPU和硬件加速器之间的存储器互连协议。

今年3月,英特尔宣布了一项新的互连标准,名为Compute Express Link(CXL),由微软,阿里,思科,戴尔EMC,Facebook,谷歌,HPE和华为联合推出,目标是互联网数据中心,通信基础设施,云计算和云服务。 Domain,这也是FPGA展示自身的重要平台。

为了确保高性能的在线处理和处理器负载加速,英特尔Agilex FPGA支持最新一代高性能处理器接口,包括PCIe Gen 5和CXL,并将成为第一款采用Xeon可扩展处理器和一致的高速缓存和内存互连结构的FPGA 。

高级内存层次结构

Agilex FPGA支持所有级别的内存资源,包括通过专用接口提供的嵌入式内存资源,封装在内存中和片外内存。层次结构的第一层是嵌入式片上存储器,包括MLAB,Block RAM和eSRAM。每个内存可以提供不同的容量以满足不同的处理需求。此外,英特尔还使用SIP技术将高带宽内存(HBM)直接集成到Agilex FPGA器件中,这有助于减小电路板的尺寸和成本,简化并降低功耗需求。

另一个需要注意的重点是Agilex平台还集成了eASIC技术。这种集成的eASIC芯片定制技术可实现从FPGA到结构化ASIC的迁移。换句话说,用户可以利用eASIC自己的可重复使用的可定制逻辑连接,在整个产品生命周期内灵活优化,并快速从FPGA转向ASIC。

。软件

与新硬件架构相比,性能提升了一个数量级,软件可以提供两个数量级的性能提升。在新一代Agilex FPGA上,支持软件Quartus Prime将硬件开发人员30%的编译时间和内存利用率降低了15%。与此同时,新一代Agilex FPGA也包含在One API架构中。

将于今年第四季度推出的“OneAPI”软件编程框架为软件开发人员提供了单一源异构编程环境,该环境支持通用性能库API,英特尔VTune和Advisor软件开发工具以匹配软件。通过在最大程度上加速软件代码的硬件上简化各种计算引擎(包括FPGA,CPU,GPU,人工智能和其他加速器)的编程接口,降低各种体系结构和工作负载的开发复杂性。加速六大技术支柱的大规模部署。

迎接多元化计算时代

让我们暂时跳出FPGA的小圈子,看看为什么英特尔提出“六大技术支柱”?

有人说,“六大技术支柱”是英特尔为防御NVIDIA,AMD和Xilinx而建立的强大城市防御。有些人会毫不犹豫地将其称为英特尔引领未来计算发展的“创新矩阵”。 “但事实上,无论名称是什么,英特尔认为,这六个技术支柱是相互关联和紧密结合的,这可以带来指数级创新,是英特尔未来十年甚至下一年的主要推动力50年。

根据英特尔公布的数据,10nm工艺下的晶体管密度达到100.8Mtr/mm2,约为上一代14nm工艺的2.7倍。也就是说,在2015-2018三年间,英特尔的晶体管密度增加了2.7倍。与此同时,英特尔正在积极研究纳米线晶体管,III-V材料(如砷化镓和磷化铟)晶体管,硅片3D堆叠,高密度存储器和互连,紫外(EUV)光刻,旋转前沿项目如电子和神经计算。

英特尔的使命是开发半导体尖端制造技术和平台,以生产世界上最好的芯片,并继续推动工艺和封装工艺技术创新,但并非全部。

我们现在正转向以数据为中心的时代。预计到2020年,普通用户每天平均生成的数据量为1.5GB,智能医院每天将达到3TB,自动驾驶每天将达到4TB,网络化飞机和智能工厂将分别达到40TB和1PB!

这意味着随着数据量的爆炸性增长,数据类型也经历了革命性的变化,人工智能,5G,自动驾驶仪,云计算和物联网等新兴应用带来了更多样化的计算需求。例如,在嵌入式应用和边缘设备领域,用户需要能够实时提取包括图像,视频和视觉信息的数据;在通信基础设施方面,用户需要高带宽的融合处理能力;在云中,相关企业需要能够有效地管理,组织和处理数据激增。

也就是说,当我们从更高维度看数据架构时,我们将清楚地意识到,在这个大规模数据推动计算架构快速发展和指数级扩展的时代,没有一种技术可以完全满足。消费者或企业客户只需通过直接标量体系结构即可解决所有未来的应用程序。他们需要的是连接不同层次结构中的各种体系结构,例如AI和FPGA产品中的CPU,GPU,标量,矢量,矩阵和空间体系结构。

同时,随着从高度动态的非结构化自然数据中收集,分析和制定决策的需求不断增长,对计算的需求超越了传统的CPU和GPU架构。虽然前沿流程和CPU仍然至关重要,但要充分抓住数据爆炸带来的机遇,还需要一些基础,包括流程和封装,架构,内存和存储,互连,安全性和软件。该模块极具创新性。不研究数据的生成,类型和处理能力是不可接受的。这与先前的一般数据处理不同。简单地强调某个处理器的计算能力是不可行的。

英特尔希望通过六个技术支柱引领“超完整计算”时代。通过提供各种标量,矢量,矩阵和空间计算架构,利用先进的工艺技术进行设计,以破坏性存储器层次结构为基础,通过先进的封装和使用光速互连的超大规模部署集成到系统中,提供统一的软件开发接口和安全功能。

例如,英特尔在CES 2019上展示的下一代CPU微架构Sunny Cove包括加速专用计算任务(如人工智能和加密)的新功能,旨在提高每个时钟的性能并降低通用计算下的功耗任务。在即将推出的10纳米PC处理器Ice Lake的生产中,Sun Cove微架构,AI加速指令集和英特尔第11代核心显卡都高度集成。

为什么要结合流程包装和建筑设计?由于超异构计算,英特尔可以集成不同架构,不同流程,3D封装,互连和OneAPI等技术,以确保最有效的产品多样性和产品增强。稳定性,快速满足客户定制和市场化的需求。

在转型为数据公司的过程中,英特尔将自己定义为端到端解决方案提供商,即产品线涵盖云,网络传输端和终端。其中,核心来自云中的大规模数据处理,端到端的布局使英特尔能够掌握“数据何时到来,何种数据,如何处理它”。

为了提高处理新数据的能力,加快技术开发的步伐,促进计算机和服务器以外的计算,英特尔不仅研究了过去六年加速经典计算平台的专有架构,而且还增加了人工智能(AI)。以及神经模拟计算的投资和发展。已经制造和封装的第一个自学习神经形态测试芯片Loihi,已经交付的49比特量子超导量子测试芯片,以及在300毫米晶圆工艺上发明的自旋量子位制造工艺,被业界视为英特尔的未来计算的早期布局旨在破坏未来的计算环境。

随着人工智能,物联网,传感器和其他技术的融合和应用,越来越多的无人机和应用场景成为可能。 “自主”也正在取代“聪明”,并已成为一股动力。创新与发展的新浪潮。在这样一个时代的背景下,英特尔战略性地跳出了纯竞争和计算能力的低水平竞争格局,站在更高的起点,并通过构建新的六技术来构建CPU,GPU和FPGA创新组合。 AI加速器,通信系统和高速存储等有机组件的组合重新定义了产品开发和设计模型。 Agilex FPGA是最好的证明之一。我们还期待看到更多基于六大技术支柱的产品,引领行业更好地应对多样化计算需求的挑战。

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