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人工智能芯片主流架构FPGA优势明显 与GPU形成互补

参考中国报告网发布《2017-2021年中国人工智能市场发展现状及投资方向研究报告》
         什么是FPGA
         FPGA(Field Programmable Gate Array)是指可编程逻辑器件。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。相对于ASIC这种设计完成不能动态修改的缺点,它最大的优势在于动态:设计芯片过程中,大部分功能可以随时修改,例如在芯片研发设计阶段、在PCB板子组装阶段,甚至在系统设备完成后。

FPGA Stratix
 

资料来源:中国报告网整理
         FPGA相比与其他芯片的优势

         灵活:FPGA的功能特性可以在系统开发的任何阶段修改,ASIC则是固定形式芯片,一旦开发流片完毕,若再次修改功能则需要重新设计。

         速度:正是因为FPGA的灵活特性,FPGA可以与系统设计同步进行,随时随地修改,减少下游系统开发时间。

         集成:现在FPGA通常包括处理器,传输接口(28Gbps或更高),图像处理模块、存储RAM模块等。集成更多地模块意味着可以在后期印刷电路板上尽量少的使用器件,从而减少空间占用,提高可靠性,提高系统集成度。

         成本:一般来说生产ASIC的成本相对较高,FPGA的寿命通常可以达到15年,这样可以避免重复设计、生产ASIC的花费。
         FPGA在人工智能中的应用
         数据中心:大数据时代,数据中心的规模逐渐扩大,目前传统串行CPU行结构就成了数据中心发展的瓶颈,,如果使用CPU+FPGA结构,利用FPGA动态处理数据的能力,数据中心就可以把单位功耗下的数据处理能力提高。另外,由于数据量越来越大,外部存储接口带宽有限,多核CPU不能充分发挥自己的计算优势,借助FPGA的帮助,FPGA可以提前处理数据,把数据压缩、过滤以减少带宽压力。这样用户可以实现实时分析数据,加速数据处理。这也是Intel以160亿美金收购FPGA巨头Altera的主要目的。

FPGA+CPU架构图
 

资料来源:中国报告网整理
         FPGA市场分析
         2016年市场规模有55亿美金,预计到2022年将达到72亿美金的市场规模,年复合增长率达到5%。FPGA领域是寡头垄断行业,行业前两名公司占领了绝大部分市场份额,即Xilinx和Intel。2016年Xilinx占有50%的市场份额,Intel占有38%的市场份额。我国在这方面比较薄弱,还没有成规模的厂商。

         FPGA主要应用于通信、军队、工业、自动驾驶等领域,其中自动驾驶与数据中心将是未来增长的核心,据预测到2018年仅仅数据中心芯片的市场规模将达到10亿美金以上。

亚太地区FPGA市场按应用市场规模预测。
 

数据来源:中国报告网整理

2016FPGA市场份额比较
 

数据来源:中国报告网整理

         大数据时代,云计算的市场逐步扩大。据预测到2018年云计算市场规模将达到1275亿美金,年复合增长率将达到22.8%。云计算市场的快速增加必然加大对数据中心服务器的需求。在数据中心成本中,77%的花费在硬件配置,23%的费用在软件方面。

云计算市场规模以及增长率
 

数据来源:中国报告网整理

数据中心软、硬件市场份额比例
 

数据来源:中国报告网整理
         FPGAVSGPU优劣势对比
         综上所述,相对于GPU,FPGA在动态处理数据方面比较有优势,可以和CPU优势互补,形成FPGA+CPU的架构,所以在自动驾驶、数据中心等人工智能领域将有一席之地。但是由于本身架构的限制,FPGA数据处理上主要应用于数据Inference(推理),在数据训练(training)能力上和GPU还有很大差距。

CPU、GPU与FPGA应用方向对比
 

资料来源:中国报告网整理

GPU与FPGA+CPU优劣势对比
 

资料来源:中国报告网整理

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