为什么FPGA主频比CPU慢,但却可以用来帮CPU做加速

EDN电子技术设计 发表于 2020-11-20 09:56:16 收藏 已收藏
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为什么FPGA主频比CPU慢,但却可以用来帮CPU做加速

EDN电子技术设计 发表于 2020-11-20 09:56:16

我们知道,FPGA的频率一般只有几百MHz,而CPU的频率却高达数GHz。那么,有不少网友心中就有一个疑问:“为什么FPGA主频比CPU慢,但却可以用来帮CPU做加速?”。

今天,EDN就和大家系统性地讨论下这个问题。

将FPGA主频与CPU相比不妥

在开始之前,首先要明确一点,将FPGA的主频与CPU比较,实际是风马牛不相及的问题。FPGA和CPU是两种完全不同的器件,前者是专用,是硬件编程,而后者是通用,是软件编程。

不同体系结构性能和灵活性的比较。(图片来源:《如何评价微软在数据中心使用 FPGA 代替传统 CPU 的做法?》)

表面上看,FPGA的时钟频率要低;对于通用计算任务,FPGA设计貌似不如CPU设计。但是实际上,单个FPGA的并行度却比CPU要高得多。FPGA的行为是确定性的,用作硬件加速器没有时间片、线程或资源冲突的问题。它始终以完全相同的速度执行一件事。因此,如果需要低延迟,那么FPGA就可能是最佳选择。

计算密集型任务,CPU、GPU、FPGA、ASIC 的数量级比较(以16位整数乘法为例,数字仅为数量级的估计)(图片来源:《如何评价微软在数据中心使用 FPGA 代替传统 CPU 的做法?》)

FPGA并行计算机制

如知乎网友young cc所言,虽然CPU主频很高,但其是通用处理器,做某个特定运算(如信号处理,图像处理)可能需要很多个时钟周期。而FPGA可以通过编程重组电路,直接生成专用电路。加上电路并行性,可能做这个特定运算只需要一个时钟周期。

举例来说,CPU主频为3GHz,FPGA主频为200MHz。若做某个特定运算,CPU需要30个时钟周期,而FPGA只需一个,那么耗时情况是:

CPU:30/3GHz =10ns;

FPGA:1/200MHz =5ns。

可以看到,FPGA做这个特定运算速度比CPU快,能帮助加速。

另外,CPU的主频是加过流水线之后的。比如是15级流水线,则第一条指令执行了15个时钟周期后才能出结果。

但是,使用FPGA也不一定总能做加速。

例如,知乎网友Evan172就表示,使用FPGA做加速,只是在某些强计算和数据处理的方面,因为其硬件电路并行运行和有很多DSP硬核资源供调用的特点,可以工作得更出色。

FPGA本身也只是辅助角色,做控制的还是CPU本身,所以FPGA并不能代替CPU,只是在完成一件大任务的过程中将某部分任务分解给FPGA可以更好地一起完成任务。在这过程中也会有额外的开销产生,在某些场合,可能用了FPGA而效果更差也是有的。

另外,通常说的使用FPGA加速比CPU和GPU省电,是指在完成同样的任务下,FPGA耗费的电力比起CPU和GPU更少一些。这是相对而言的,并不是说FPGA本身就一定省电。

一个有趣的例子:数组加法计算

知乎用户doing举了一个很有趣的例子。他指出,假设用FPGA完整实现了CPU,然后再跑软件的话,的确比CPU慢。问题是FPGA不会那么干,它会直指问题本质,解决问题。

例如,有两个数组,其中有256个32位数。现在要把它们对应相加变成一个数组,用CPU写最快大概是这个样子:

r[0] = a[0] + b[0];

r[1] = a[1] + b[1];

...

r[255] = a[255] + b[255];

当然也可能会这么写(在分支预测准确,指令缓存不大的情况下可能更快):

for (int i = 0; i < 255; i++)

r[i] = a[i] + b[i];

对FPGA来说,也可以用上面相同的写法,不同在于:

CPU是一个一个加法计算,而FPGA排好逻辑电路,在一个时钟周期内计算完毕。就算CPU主频比FPGA快100倍也赶不上啊。话说后来CPU大量的增加SIMD指令,就有点这个意思,不过这相当于提供库函数,没那么灵活。

FPGA并行是真并行,CPU完全没得比。CPU如果想并行最多也就是让多个核并行,但是对于大部分算法实现来说,如上例,多个核之间的同步调度开销远远大于计算开销,就算多个核之间的调用开销可以做的很小,一般CPU也就那几个核,而FPGA只要门足够,想并行几路就可以并行几路。

所以在做可并行的计算密集型任务时,比如信号处理,网络传输等等FPGA可以帮上忙;但是如果做常见的以串行为主的任务,FPGA的确远远比不上CPU。如果要类比的话,有点像似GPU和CPU之间的关系。

“当年写Verilog的时候,我就想如果CPU里面自带一块FPGA,应用程序程序可以在初始化期间直接烧一段代码下去,那岂不是很爽。后来,有了能写shader的3D显卡...”

为什么FPGA成为数据中心尖端技术?

最后再讨论一个话题,就是为什么FPGA一直是数据中心领域最尖端的技术?

有人可能认为,再大的问题(算力)都可以通过堆CPU核心来解决。那么,假设有一台强大的48核服务器,即使使用非常高端的FPGA,也很难达到相同的吞吐量。而且,FPGA硬件设计还需要由强大的团队来完成,非常烧钱。

这时,如果把机会成本和能源效率两者考虑进去,好处就开始显现出来了。

首先来看能源效率。假设这台48核服务器的功耗为400W并且发热严重,那么就会对数据中心运营不利——能耗和散热是数据中心运营的两项最大支出。而将FPGA连接起来只执行一项任务,就可以实现很高的能效而开销极低。通过正确的设计,可以在实现低功耗的同时获得高吞吐量。

其次,机会成本(这个问题不太明显)。系统中的CPU内核数量就那么多。购买新的内核并且安装需要花很长时间,而且最好是将通用CPU内核保留用于通用任务(例如虚拟机订阅)。每个CPU核卖不出去就会烧钱。

当有任务大量占用CPU时间(例如AI推理)时,FPGA就成为了不错的选择。

一个有关微软Project Catapult项目当中FPGA的趣事

当年,微软必应团队在其Project Catapult项目中发现,在启用FPGA时,CPU的总体利用率实际上略有上升。所有的人都感到困惑,因为从直觉来看FPGA应该要减少CPU负载。但是后来他们发现,数据中心的业务流量达到了原来的2倍!由于效率提高,流量实现了两倍的负载均衡。由此可见FPGA的强大之处。

结语

维基百科的相关词条提到两点:FPGA的优势在于其并行特性,有时对于某些应用而言可以使速度明显变快;可以使用FPGA来对算法中的某些部分加速,也可以在FPGA和通用处理器之间共享部分计算。

综上,FPGA有两个优点:FPGA并行度远超CPU;CPU是通用电路,FPGA是定制电路。但是也有两个缺点:开发周期长;并不是所有东西都适合FPGA。

责任编辑:xj

原文标题:为什么FPGA主频比CPU慢,却可以帮其加速?

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