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FPGA让PC更智能

Making PCs Smarter with FPGAs
Posted 06/01/2020 by Bob O’Donnell

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智能手机的迅猛发展导致了PC多年来影响力不断下滑,人们也普遍感觉到其重要性也大不如前。而如今,PC的活力正在复苏。由于新冠病毒COVID-19大流行,世界各地的人们都不得不在家工作和学习,极大凸显了PC的重要性与人们生活密不可分。它们已成为人们现在最依赖的设备。

而现在的时机也再好不过了。除了敏锐的行业观察者以外,很多人可能都忽略了这样一个现实:如今主要的半导体制造商、软件平台开发商和PC制造商已经将现代PC打造成为我们一直以来希望的线条优美、轻巧便携、功能强大且易于使用的机器。从各个层面上看,如今的笔记本电脑着实让人印象深刻。

随着我们对PC的依赖程度越来越高,可以明确的是,提升PC的使用体验尚有一定的改进空间。其中之一就是让PC具备更多的人工智能特性。过去几年里,智能手机已经拥有了众多全新的AI和机器学习功能——如图像处理、语音助手、增强现实和蜂窝网络连接方面的优化等。另一方面,PC上添加的人工智能技术则相对保守,如后台电池优化和管理功能。因此,PC的使用体验如果要像智能手机那样轻松且充满惊喜的话,还需要急起直追。

从技术角度来看,实现这个目标面临的挑战之一是PC上那些有待优化的功能要求对传感器和其他组件实现不间断的监控。这就意味着电脑的CPU或者GPU需要执行额外的任务,这必然导致功耗增加,电池使用时间缩短。然而还可以使用另一种方案,就是采用超低功耗FPGA芯片来承担这项任务,解放CPU和/或GPU的任务负担。

我们曾在第一篇系列博文——《FPGA初探》中讨论过,这些独特的芯片旨在以快速、低功耗的方式实现特定功能,在芯片投入设备中运行之后,它们可以在“现场”进行编程和重新编程(或更新)。

很多人不知道的是,一些PC和服务器已经使用了简单的FPGA,尤其是用于电源管理和协调系统初始启动进程。到目前为止,FPGA在PC上一般不用来执行更高级别的功能,但要实现这些功能完全可行。事实上,FPGA能够为PC提供许多功能,例如加速用户存在检测、注意力追踪、位置跟踪等。

将FPGA集成到PC听起来可能有些牵强,但实际上这只是技术行业早已采用的异构计算架构的延续。一些最早的PC仅有一个基础的CPU计算核心。后来人们又增加了数字协处理器(有时称为数学或浮点协处理器)来增强CPU的功能,这些协处理器可以为CPU分担一些任务从而改善系统整体性能。后来,GPU进入了PC设计,大大提高了计算机图形性能。将FPGA集成到PC的概念则延续了这种趋势,这将为PC带来极高的灵活性,即使在PC生产并销售之后仍能够对其功能进行“升级”。

实际上,FPGA完美地迎合了作为支撑智能AI功能的算法模型的不断演化的需求。试想一下,笔记本电脑能够通过判断其所处的位置自动调整安全设置,或者使用者的注意力不在电脑屏幕上时,自动关闭屏幕来延长电池使用时间。这些功能可以通过集成FPGA实现,正是这些恰到好处的功能让PC的使用体验更流畅、轻松、灵活、智能。

当然,若只是在PC的设计中再加入一个协处理器,而不考虑它对系统的潜在影响(尤其是功耗要求、电池寿命、尺寸和成本),那便没有意义。幸而,莱迪思半导体的iCE40 Ultra Plus™(其尺寸小至2.2 mm x 2.5 mm,功耗仅为几毫瓦)或CrossLink-NX™(其尺寸小至3.7 mm x 4.1 mm,功耗仅为几十毫瓦)系列FPGA对PC系统设计的物理尺寸和成本方面几乎无任何负担。更重要的是,它们能为PC系统设计人员带来更高的灵活性和更多选择,因为它PC厂商可以定制独特的功能来实现产品差异化。

这些小型FPGA通常位于摄像头模块、麦克风等传感器和集成在PC芯片组中的传感器控制中心(sensor hub)之间。当运行在这些FPGA上的智能视觉AI模型识别出相应的数据时(例如走向PC的用户或者看着(视线偏离)电脑屏幕的用户),它们可以获取传感器的输出,然后传输操作系统以下级别的中断。

将这些小型FPGA嵌入设计中看起很简单,但却能带来多方面的益处。首先,它可以减少PC的传感器控制中心(功耗通常为几百毫瓦)的工作时间,从而延长电池使用时间。与此同时,只有低功耗FPGA需要持续供电。其次,由于这些中断在操作系统之下且遵循现有标准,因此不需要进行任何操作系统或驱动程序级别的软件更改。最后,这种低级别架构设计还意味着这类功能可以在任何操作系统和任何类型的CPU架构上实现。对于那些希望在整个产品系列中创造差异化特性的PC设计师而言,这无疑是一个巨大的优势。

了解PC发展历程的人都知道,PC在某些阶段会出现新的需求,需要添加新的协处理器帮助更好地完成工作。由于人们对在PC上实现AI和ML功能的兴趣不断增长,以及FPGA恰能完美适配这类智能处理工作,思考如何将FPGA应用于未来的PC设计中似乎势在必行了。当今的笔记本电脑发展程度已然很高,它们不仅与我们的生活密切相关,也十分重要。因此设想一下,将更多智能功能添加到PC,势必更加凸显它在我们未来生活的重要性。

Bob O’Donnell是市场研究公司TECHnalysis Research的总裁兼首席分析师,该公司为技术行业和专业金融领域提供战略咨询和市场研究服务。您可以在Twitter上关注他@bobodtech

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