什麼是自適應計算？

1984 年，Ross Freeman 將其關於現場可編程門陣列 (FPGA) 的絕妙構想付諸實踐並創立了賽靈思公司，從而確立了自適應計算的原理。從那時起，這項技術及其滿足眾多應用需求的能力，已歷經漫長的發展道路。儘管自適應計算構建在 FPGA 技術的基礎上，但它已經發展至足以覆蓋更為廣闊的應用類型。

FPGA 中的“ FP ”即“現場可編程”，意味著硬件可以在部署到量產環境後現場進行編程。 FPGA 中的“ GA ”指“門陣列”。自門陣列誕生後，自適應計算平台經歷了漫長的發展，但其概念依然是解釋底層技術運作方式的有效途徑。

賽靈思最新白皮書《自適應計算技術概覽》中，全面闡釋了自適應硬件、自適應平台，以及自適應計算的近期發展，並提供了自適應硬件與 CPU、GPU 和 ASSP 的對比。


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1. 自適應硬件與自適應平台

自適應計算的核心由能夠針對特定應用進行高度優化的晶片硬體構成。該優化發生在硬體製造完成後，而且能以幾乎無限的次數反復進行。這種獨特的靈活性，使得硬體可以在器件完全部署到量產設置後進行更改。

“自適應平台”則指以自適應硬體為核心的任意類型產品或解決方案。自適應平台完全基於相同的自適應硬體基礎，但其包含的內容遠不止晶片硬體或器件。自適應平台涵蓋了綜合全面的成套設計和運行時軟體，通過結合軟、硬體提供了開發高靈活性、高效率應用的獨特功能，使得開發者能夠專注於應用的具體差異化。



2. 自適應平台的五大優勢

自適應平台使得自適應計算能夠為廣泛的軟體和系統開發者所使用，並為眾多產品奠定基礎。採用自適應平台的優勢包括：

• 加快上市進程

以 Alveo 加速器卡為例，使之構建的應用能為特定應用使用加速硬體，無需硬體定制。只需將 PCIe 卡添加到服務器，即刻從現有軟體應用直接調用加速庫。


• 降低運營成本

自適應平台能夠帶來顯著的計算密度提升。與基於 CPU 的解決方案相比，借助自適應平台打造的應用不僅能實現優化，且能在每節點提供的效率也大幅提升。


• 靈活動態 工作負載

自適應平台能夠根據當前需求重新配置。對於開發者而言，可以在自適應平台內輕鬆切換已部署應用，使用相同設備即可滿足不斷變化的工作負載需求。


• 兼容未來

自適應平台能不斷進行調整。如果現有應用需要新的功能，則可以對硬體重新編程，以最佳方式實現這些功能，減少硬件升級需求，進而延長系統使用壽命。


• 加速整體應用

自適應計算的天然靈活性適合為 AI 和非 AI 處理任務進行加速，稱之為“整體應用加速”。隨著計算密集型 AI 推斷滲透到更多應用中，其重要性也在日益提升。


3. 自適應平台的類型

根據應用和需求，自適應平台類型眾多，包括數據中心加速器卡和標準化邊緣模組。大量自適應平台的存在旨在為開發所需應用提供盡可能最佳的起點。這些應用中，既有自動駕駛和實時視頻流等時延敏感型應用，也有高度複雜的 5G 信號處理和非結構化數據庫的數據處理。

自適應計算能夠部署到雲端、網絡、邊緣甚至終端，將最新的架構創新帶到單獨及端到端的應用，且部署位置也可以是多樣化的。以賽靈思 Kria SOM 和 Alveo 加速器卡為例：

Kria 自適應 SOM 圍繞賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 架構而構建，支持開發者在交鑰匙自適應平台上開發邊緣應用。通過將系統的核心部分標準化，開發者有更多時間專注於打造差異化功能特性，從競爭中脫穎而出。

Alveo 加速器卡採用行業標準的 PCI-express， 為任意數據中心應用提供了硬體卸載能力，同時還可用於 SmartSSD 存儲，在存儲訪問點上進行加速。此外還能用於 SmartNIC，直接在網絡流量上提供加速。

4. 適應平台的適用性

在以往，運用 FPGA 技術需要開發者構建自己的硬體板，並用硬體描述語言（ HDL ）配置 FPGA。相比之下，自適應平台允許開發者使用自己熟悉的軟體框架和語言（例如C++、Python、TensorFlow等），直接發揮自適應計算的效能。軟件和 AI 開發者現在無需構建電路板或成為硬體專家，就能運用自適應計算。

自適應平台使得自適應硬體能在多個設計抽象層面使用。獨立軟體供應商（ ISV ）生態系統和廠商提供的開源庫已提供了大量加速 API。此外，較大的設計團隊也有自己的硬件工程師負責打造定制加速 API，供其軟體團隊在最終應用中使用。



圖：自適應開發堆棧示例



5. 自適應計算在行動

自適應計算賦予應用動態更新的能力。它不僅支持軟體無線（ OTA ）更新，也同時支持硬體的無線更新。隨著處理變得更加分散，並且應用部署在難以抵達的位置，這一功能顯得尤為重要。在這一點上，沒有比火星更難抵達的地方了。美國航空航天局的“毅力號”火星車現正探索火星表面，其採用了自適應計算技術。



圖：自適應計算第三次抵達火星



結論

自適應計算構建在現有 FPGA 技術之上，但它比以往任何時候都更易於為更加廣泛的開發者和應用所採用。作為一種先進技術，自適應計算無需硬體專業知識就能打造優化的硬件加速應用。

從數據中心到網絡再到邊緣乃至終端，從自動駕駛汽車到火星探測車，自適應平台不僅適用於各種類型的最終應用，更已廣泛應用於眾多行業，賦能新一代智能、高效應用。

隨著世界進一步邁向互聯互通和萬物智能，自適應計算將繼續居於優化、加速應用的最前沿，從而賦能全體開發者創造更加美好的未來。



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