通用處理器在計算性能和能效上越來越難以滿足日益龐大、多樣化的數(shù)據(jù)處理需求。 借助由GPU、FPGA和其他智能引擎等協(xié)處理器與CPU一起組成的異構(gòu)計算平臺來提升計算性能，已成為當(dāng)下學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。 異構(gòu)計算作為一種特殊的并行計算方式，能夠根據(jù)每個計算子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點為其分配不同的計算任務(wù)，在提高計算性能、能效比和實時性保障方面體現(xiàn)出傳統(tǒng)架構(gòu)所不具備的優(yōu)勢，逐漸在各種計算需求量較大的場合得到應(yīng)用。針對數(shù)據(jù)中心場景，英特爾已經(jīng)宣布要通過Xeon+FPGA平臺和Xeon Phi系列產(chǎn)品來推動異構(gòu)計算的實施。

 

那么，在我們所關(guān)心的機器人領(lǐng)域，情況又是如何？

 

 

機器人是復(fù)雜的機電一體化裝置，綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果。

 

機器人系統(tǒng)和系統(tǒng)中的傳感器

 

為了將這些成果融合起來，真正形成認(rèn)知、感受和行動的能力，使機器人能夠理解并應(yīng)對真實的世界，準(zhǔn)確完成操作任務(wù)，其搭載的計算平臺需滿足多種要求，包括：

 

1）感知能力：具備豐富的I/O接口，支持USB 3、UART、I2C等多種I/O協(xié)議，用以接收各類傳感器數(shù)據(jù)。

 

2）控制能力：能夠控制各個運動部位，如底盤、手臂、手指和頭部，完成多個維度的動作，并且具備實時性和安全性方面的保障。

 

3）計算能力：既要應(yīng)對大量數(shù)據(jù)的處理開銷，更要滿足各類智能算法巨大的計算需求。

 

4）功耗控制：要在滿足以上能力的同時盡可能降低功耗，避免成為電池殺手。

 

5）易用性：必須提供友好的編程模型，使機器人的應(yīng)用開發(fā)快速、準(zhǔn)確。

 

現(xiàn)有的計算平臺很難滿足以上需求，搭建適用于機器人的異構(gòu)計算平臺已經(jīng)迫在眉睫！CPU+FPGA的方案以其獨特的優(yōu)勢進(jìn)入我們眼簾。

 

 

自1985年問世以來，F(xiàn)PGA這種可編程邏輯器件憑借在性能、上市時間、成本、穩(wěn)定性和長期維護(hù)方面的優(yōu)勢，在通信、醫(yī)療、工控和安防等領(lǐng)域占有一席之地。特別是近兩年，隨著云計算、高性能計算和人工智能的繁榮，擁有先天優(yōu)勢的FPGA更是得到了前所未有的關(guān)注。

 

FPGA由六部分組成：可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。 英特爾首席執(zhí)行官科再奇曾這樣描述：“你可以把FPGA想象成一堆gate，能夠隨時編程。FPGA可以用作多個領(lǐng)域的加速器，例如在加密的同時進(jìn)行面部搜索，并能在微秒內(nèi)重新編程。其成本遠(yuǎn)低于大規(guī)模單個定制部件，并具有更高的靈活性。”

 

隨著工藝的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的性能、指標(biāo)都達(dá)到了新高度。新的Arria10系列FPGA和SoC功耗比前一代FPGA和SoC低40%，具有業(yè)界唯一的硬核浮點數(shù)字信號處理(DSP)模塊，其速率高達(dá)每秒1.5萬億次浮點運算(1.5 TFLOPS)。

 

FPGA的結(jié)構(gòu)

 

即便擁有上述優(yōu)勢，傳統(tǒng)上FPGA的開發(fā)難度還是令諸多程序員望而卻步。然而，隨著OpenCL標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，F(xiàn)PGA的應(yīng)用門檻正在大幅降低?；贠penCL的開發(fā)框架，用戶可以擺脫傳統(tǒng)的基于硬件描述語言（HDL）的開發(fā)流程，轉(zhuǎn)而采用更高效、也更符合廣大程序員背景的軟件開發(fā)流程。

 

OpenCL標(biāo)準(zhǔn)是第一個開放、免版稅、統(tǒng)一的編程模型，能夠在異構(gòu)系統(tǒng)上加速算法實現(xiàn)，支持使用基于C的編程語言進(jìn)行跨平臺開發(fā) ，例如CPU、GPU、DSP和FPGA。支持OpenCL的異構(gòu)系統(tǒng)一般通過PCle總線實現(xiàn)主機與硬件加速器（或者一個內(nèi)核與另一個沒有主機控制的內(nèi)核）之間的通信，而這一切并不需要程序開發(fā)者的關(guān)注。相反，開發(fā)者只需了解OpenCL定義的標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口(API)。如今，各個主流的深度學(xué)習(xí)框架都提供OpenCL的支持。英特爾正計劃推出基于FPGA的CNN的多種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

 

OpenCL的編程模型

 

 

我們機器人系統(tǒng)實驗室今年的工作重點便是為機器人搭建基于CPU+FPGA的異構(gòu)計算平臺。根據(jù)我們的經(jīng)驗，F(xiàn)PGA能夠在一些關(guān)鍵的機器人應(yīng)用中發(fā)揮極大的價值。例如，我們將機器人自身定位的算法（SLAM）移植到FPGA中執(zhí)行，實現(xiàn)了比CPU高出十多倍的定位頻率，從而允許機器人以雙倍的速度運動，而不會“迷失方向”。

 

為了打造通用的機器人計算平臺，我們選用了英特爾提供給移動平臺使用的CPU和Arria 10系列的FPGA。 兩者通過高帶寬，低延遲的I/O接口（如PCIe）進(jìn)行通信。 FPGA中可以包含多種加速模塊。我們會提供一套通用接口，便于模塊開發(fā)者包裝、發(fā)布已有的設(shè)計。

 

機器人的異構(gòu)計算平臺

 

在軟件層面，我們會構(gòu)建加速模塊的配置、安裝和消息傳遞機制，便于第三方將所需的加速模塊集成到應(yīng)用中，并設(shè)計一些定位、控制、視覺識別和物體建模的常用模塊，以及軟件的集成包，供用戶作為參考設(shè)計或直接選用。

 

有了如此智慧的大腦，機器人將變得更加耳聰，眼明，腿快，手穩(wěn)，融入我們的日常生活，為人類提供更好的服務(wù)。