聊聊:比特币矿机·FPGA·还有……
股市终于涨了,可是账户里只有万把块钱,这是要踏空的节奏啊;看好比特币那时,没敢买,后来涨上了天;可现在又打回了原型。后悔归后悔!不管比特币是涨是跌,也不管各国政府态度咋样,在技术层面,挖矿机的关键IC——可编程的“万能芯片”FPGA(现场可编程门阵列)的功劳不得小觑。
从CPU到FPGA
比特币与大多数货币不同,不靠央行发行,它是用大量特定算法算出来的,使用整个P2P网络中众多节点构成的分布式数据库来确认并记录所有交易行为,并使用密码学的设计来确保货币流通各个环节安全性。这就决定了它需要具有超级计算能力的电脑——挖矿机。一开始,这类电脑一般有专业挖矿芯片,如非常耗电的CPU或GPU这种低成本硬件。
随着比特币的流行,挖矿的过程出现较大变化。如今,挖矿活动已转移到FPGA上来,通过优化可以实现更高的速度和效率。以前的老机器100天才能挖到1个比特币,如今100天就能挖到3个多。
由于FPGA可以通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能,已成为挖矿机乃至今后高端电子装备不可或缺的一个核心器件。
都离不开数据计算
2019年,5G、人工智能、超级计算和大数据等新一代信息技术将出现新的发展机遇。但是,时至今日,摩尔定律走势正在放缓,处理器性能的提升已越来越困难。
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高效数据加速架构的相同要求是高性能、低功耗、可编程硬件加速器,主要用在计算、数据传输和存储带宽,目标是实现每瓦特最高性能和性价比。其目标市场及其需求包括以下几个方面:
计算加速
典型应用包括人工智能/机器学习(AI/ML)应用、安全性、压缩/解压、基因组学、实时视频转码、区块链,要求最高性能、低功耗、低成本;
边缘计算
典型应用有IoT网关聚合与协议汇聚、高带宽传感器的数据提取、基于人工智能的目标检测、基于人工智能的异常检测,要求最小功率计算;
计算存储
典型应用有压缩/解压、非结构化数据匹配、数据库加速、重复删除,要求接近存储的低功耗和低成本计算;
5G基础设施
典型应用是适应变化的前传协议标准、基带和分裂L1加速、基于人工智能的波束成型、放大器预失真、移动边缘计算,要求低功耗高性能的可编程硬件;
网络加速/智能网络
典型应用有可编程分组处理、加密/解密、压缩/解压、网络遥测、网络函数虚拟化加速,要求用于CPU卸载的高线速加速器;
自主驾驶
典型应用是AI/ML、传感器融合、安全性,要求低功耗和低成本的硬件加速器。
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为什么是FPGA?
由于FPGA具有时延小、灵活性高等特点,广泛应用于5G通信、物联网、工业互联网、汽车电子、人工智能和数据中心等新兴市场。到2021年全球FPGA市场总规模预计将达到81亿美元,年复合增长率将超过8.5%。
以AI/ML应用为例,它需要一种适用于各种适应这个可编程世界的可编程硬件加速手段。可以做到可编程硬件加速的选项包括CPU、GPU、FPGA和ASIC。人工智能计算、5G等为什么既不用CPU,也不用ASIC,而要用FPGA呢?理由是CPU灵活性还可以,但是效率比较低;GPU主要用于加快图形处理速度;ASIC针对性强,有特定功能,效率也高,但是灵活性不足,显而易见,剩下的只有FPGA了。它可以兼顾AI/ML应用的灵活性和效率,下图显示了FPGA的一些优势。
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传统的多核CPU和SoC无法在没有辅助的情况下独立满足这些要求,因而它们需要硬件加速器,通常是可重新编程的硬件加速器,用来预处理和卸载计算,以便提高系统的整体计算性能,解决带宽爆炸问题。
但是,FPGA有一个不小的缺憾,它是大型逻辑门阵列,也就是大规模可编程芯片,软件开发难度大,IP多且杂,需要最先进的制造封测工艺,大量应用才能支撑市场,再有就是成本比较高。行业技术壁垒较高导致了FPGA市场几家独大的格局。目前全球主要FPGA 公司有Xilinx、Altera(已被收购)、Lattice、Microsemi(已被收购)等几家,其中,Xilinx 与Altera占有近90%的市场份额,专利达到6000余项之多,前者市场份额竟高达56%,是真正的龙头。
让ASIC死去活来
FPGA市场垄断看似一潭死水,到也未必。像Achronix这样有技术积累的一些厂商就在独辟蹊径,寻求打破垄断的路子。它研发了一种eFPGA,e者,嵌入式也。新出现的eFPGA一个或多个FPGA以IP的形式嵌入ASIC、ASSP或SoC等芯片中,是一种数字可重构结构,由可编程互连中的可编程逻辑组成,通常表现为矩形阵列,数据输入和输出位于边缘周围。它把流片后无法更改的“死”ASIC变活,具备了可编程性,来满足客户灵活提供各种特定功能,同时降低使用FPGA成本的需求。
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