FPGA效能大跃进的秘密

　　过去，每两年才能提升现场可编程闸阵列(FPGA)10%的效能，对于日新月异的网路、电信或云端基础建设来说，速度有些慢，对系统设计人员来说，设计过程中将遭遇不少挑战。其中，提升系统效能及效率、缩减系统尺寸与降低功耗，都是让设计工程师亟需更高效能FPGA的原因。

　　由于FPGA效能提升速度如“老牛拉车”，面对新一代行动通讯技术如长程演进计画(LTE)、LTE-Advanced，甚至下一代的5G技术，对电信基础建设骨干传输速度的要求;以及物联网(IoT)、云端运算(Cloud Computing)应用对资料中心网路频宽的再提升，FPGA势必加快效能提升的脚步。所幸，在FPGA业者的努力下，FPGA效能有突破性的进展。

　　Altera资深产品行销总监Patrick Dorsey表示，之前，Altera提升FPGA效能的方式是扩展资料传输管线(Data Path)，期望越大的管线可以提升资料传输的速度，但这样的作法反而导致更难以实现精确的布线、时脉(Clock)，以至于FPGA效能提升有限，且总延迟时间长。因此Altera新研发的HyperFlex架构则改变作法，取经英特尔(Intel)核心布线方式，缩小资料传输管线外，并在所有布线上增加10倍数量的超级暂存器，进而将FPGA效能增进2倍之多。

　　而此新架构也已实现在Altera Stratix 10系列，现阶段也有业者以软体的方式测试此新FPGA为其系统带来的好处。

　　刷新高阶FPGA性能纪录!

　　专注于资料中心(Data Center)、通讯、网路或物联网(IoT)基础设施…等系统设计人员，在设计时都相当重视三个关键要素--系统性能与效率、系统整合度与安全性，因此设计工程师需要选用高阶的现场可编程闸阵列(FPGA)，确保产品能符合上述三项需求。然而现有的晶片产品已越来越难满足日新月异的网路基础建设要求，因此FPGA业者透过暂存器无所不在技术，将可全面提升FPGA与SoC的效能。

　　刚被英特尔(Intel)收购的Altera资深产品行销总监Patrick Dorsey表示，过去每两年才能将FPGA性能提升10%，因此一般人很难相信如何在间隔一个世代的产品间，一举将FPGA核心性能提升2倍、同时还能减少70%的功耗、提升电晶体密度，并还能拥有全面性的安全防护特性。祕诀就在于，利用暂存器无所不在技术，以及在晶片内部内建安全元件管理器(SDM)。

　　物联网的发展促使通讯后端骨干基础建设传输频宽与效率须不断提高，然而受限于晶片内部布线方式未创新，导致FPGA性能的提升速度过慢、总延迟时间高，因此先前FPGA业者包括Altera或赛灵思(Xilinx)多以增加更宽、更多的汇流排技术试图提升FPGA的效能。但结果则是增加了资料传输的壅塞、无法时间更精确的时脉(Clock)，反而造成工程师在系统设计上遭遇更多难题。

　　物联网万物皆可联网的宗旨导致通讯后端基础建设的资料传输速率也需不断地提升。

　　有鉴于此，Altera开发HyperFlex技术。Dorsey指出，事实上，HyperFlex是个非常简单的概念，就是把寄存器放在逻辑单元之中，与FPGA相互配合，亦即Altera在HyperFlex架构中，实现无所不在的寄存器的安放，也就是说在HyperFlex整个布线中会有上千万个寄存器存在，较过去多上10倍。

　　透过增加暂存器，可使晶片内部沟通更有效率，进而提升效能。

　　举例来说，系统中，当一个功能要和另一个功能进行沟通时，通常是在几个奈秒(ns)间，就这个通话沟通过程中会出现不同波形的转换。所谓系统的性能，实际上就是这个系统进行通话过程中，它出现最长的延时会是多少，而HyperFlex架构的优势就在于可进一步再降低延时时间，使系统间的沟通更为快速和顺畅。

　　因透过HyperFlex架构把整个系统性能中的时序进行分割，使系统所需的沟通管道变短、变宽，促使FPGA性能提高2倍，相较之下，功耗也可进一步降低、晶片面积也会随之减少一半。这对资料中心设计工程师来说，过去可能需要使用5颗FPGA，现在仅需一颗即可以让系统整体功率降低63%。

　　另一方面，在固网光交换系统中，采用HyperFlex架构的FPGA，除了效能提升2倍之外，功耗降低40%，且面积缩小30%。Dorsey强调，系统设计人员都希望能透可编程技术实现硬体系统的优化和定制化，然在此过程中，系统设计人员面临的挑战是得在提升效能的同时，还须降低功耗。HyperFlex架构可让设计人员在自己做设计的情况下，能实现硬体定制化。达到效能和功耗的良好匹配。