四月中旬，英特爾宣布收購(gòu)一家名為Omnitek的英國(guó)公司，旨在“增強(qiáng)FPGA在視頻（video）和視覺(jué)（vision）領(lǐng)域的產(chǎn)品組合”。對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，Omnitek并不是一個(gè)非常熟悉的名字。那么，究竟它為何受到了英特爾的青睞，以及這次收購(gòu)背后的深層技術(shù)邏輯為何，就讓老石在本文為大家深入分析。

Omnitek CEO與創(chuàng)始人

Omnitek是何方神圣

Omnitek并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上的初創(chuàng)公司，它成立于1998年，總部位于英格蘭南部的貝辛斯托克（Basingstoke），見(jiàn)下圖。

貝辛斯托克這個(gè)小城是英國(guó)比較有名的經(jīng)濟(jì)和科技中心之一，巴寶莉（Burberry）就起源與此。這里集中了不少世界知名的大公司的總部或歐洲總部，其中包括很多半導(dǎo)體和科技公司，比如索尼、摩托羅拉、意法-愛(ài)立信等，華為的歐洲總部也曾經(jīng)設(shè)在這個(gè)小城。

雖然Omnitek已經(jīng)成立了超過(guò)20年，但員工總數(shù)只有四十人左右，也沒(méi)有公開(kāi)的融資記錄。從這些方面來(lái)看，Omnitek只能算是一個(gè)中型、甚至小型的公司。

然而，在這20年中，Omnitek開(kāi)發(fā)和積累了超過(guò)220個(gè)FPGA硬件IP、對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)、以及開(kāi)發(fā)平臺(tái)，見(jiàn)下圖。

這些FPGA IP主要集中在視頻和圖像處理領(lǐng)域，包括使用FPGA進(jìn)行超高清視頻圖像的旋轉(zhuǎn)、形變、3D映射、編解碼等等各類處理，見(jiàn)下圖。

這些應(yīng)用一直是FPGA的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在諸如視頻會(huì)議、投影、顯示屏等場(chǎng)合。因此，就像在公布收購(gòu)后的官方新聞稿中所說(shuō)，這次收購(gòu)將會(huì)極大的補(bǔ)強(qiáng)英特爾FPGA在視頻和圖像處理領(lǐng)域的IP資源。

然而，老石注意到，Omnitek在2018年底發(fā)布了一款自研的深度學(xué)習(xí)處理器（DPU）。與市面上任何基于FPGA的同類產(chǎn)品相比，Omnitek宣稱這款DPU的性能有著50%的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，與GPU相比，這款DPU在給定的功耗或成本限制下也有著更加優(yōu)異的性能。

在當(dāng)前各類人工智能處理器xPU層出不窮的時(shí)候，Omnitek這個(gè)官宣大膽而自信。老石認(rèn)為，這也是英特爾收購(gòu)Omnitek背后的主要邏輯。

“地表最強(qiáng)”FPGA深度學(xué)習(xí)處理器

老石在之前的文章《FPGA在人工智能時(shí)代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)》一文中講過(guò)，使用FPGA對(duì)人工智能應(yīng)用進(jìn)行硬件加速主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

基于這些優(yōu)點(diǎn)，Omnitek選擇使用FPGA作為其深度學(xué)習(xí)處理器的主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，這與目前業(yè)界包括微軟在內(nèi)的很多公司不約而同，見(jiàn)下圖。

事實(shí)上，與微軟在“腦波項(xiàng)目”中使用的DPU相比，Omnitek的DPU在使用模型上也有著很多相似之處。這類DPU，也稱為Soft DPU，最主要的特點(diǎn)就是提供一個(gè)基礎(chǔ)的硬件架構(gòu)，用來(lái)進(jìn)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算加速；同時(shí)提供完整的軟件編程接口和編譯器，使得上層用戶使用高層語(yǔ)言對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。

這種架構(gòu)的最主要優(yōu)點(diǎn)，就是實(shí)現(xiàn)了軟硬件的完全解耦，這也讓使用者無(wú)需掌握任何硬件相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，從而只需要專注于算法和模型本身的設(shè)計(jì)，并可以通過(guò)諸如Python、C/C++等高層語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和配置。

與高層次綜合（HLS）相比，這種基于FPGA的DPU設(shè)計(jì)方法無(wú)論在性能、開(kāi)發(fā)敏捷性、編譯時(shí)間等各個(gè)領(lǐng)域都有著明顯優(yōu)勢(shì)。

Omnitek DPU的主要特點(diǎn)

與微軟DPU相比，Omnitek的DPU又有著自己獨(dú)有的特點(diǎn)。它的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示。

可以看到，用戶可以使用TensorFlow、Caffe或者OpenVINO等主流機(jī)器學(xué)習(xí)框架構(gòu)建的模型，或者是自己用高層語(yǔ)言編寫的模型，通過(guò)DPU編譯器生成特定的微代碼（Microcode），這與微軟DPU采用數(shù)據(jù)流圖的方式不同。這些微代碼將被用來(lái)配置FPGA上的DPU數(shù)據(jù)處理流水線，如下圖所示。

Omnitek DPU的另一個(gè)主要特點(diǎn)是可以通過(guò)編程，調(diào)整對(duì)不同DNN拓?fù)涞闹С中省Ｍǔ?lái)講，某種DNN硬件加速器往往是針對(duì)某種特定的DNN拓?fù)湓O(shè)計(jì)的。以谷歌的TPU為例，它對(duì)于阿爾法狗所使用的CNN模型（CNN0）有著很高的運(yùn)行效率，高達(dá)78.2%，平均性能也可以達(dá)到86TOPS，見(jiàn)下圖。然而對(duì)于另外的CNN模型，如GoogleNet（CNN1），谷歌TPU只能達(dá)到46.2%的運(yùn)行效率，性能也驟降至14.1TOPS。

由此可見(jiàn)，不同CNN模型對(duì)于單一硬件架構(gòu)的實(shí)際性能有著很大影響。除CNN之外，諸如RNN和MLP等其他DNN拓?fù)溆兄虲NN明顯不同的特點(diǎn)。除此之外，隨著人工智能理論研究的不斷推進(jìn)，想必會(huì)不斷涌現(xiàn)出其他更加新穎的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，如果使用相同的硬件架構(gòu)對(duì)這些DNN拓?fù)洹耙灰曂省?，則必然不會(huì)得到滿意的性能。

對(duì)于這種情況，也只有FPGA能夠快速調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是ASIC或GPU都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而這也是Omnitek DPU的另一個(gè)主要特點(diǎn)。

此外，Omnitek DPU還使用了“片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）”技術(shù)，將多個(gè)DPU進(jìn)行互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，如下圖所示。NoC是目前在大型芯片上進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和高速傳輸?shù)男滦图夹g(shù)，在賽靈思最新的ACAP架構(gòu)上，也使用了NoC技術(shù)，這在之前的文章《賽靈思下一代計(jì)算平臺(tái)ACAP技術(shù)細(xì)節(jié)全揭秘》中有過(guò)深入解讀，有興趣的讀者可以看看，在本文中就不再贅述。

性能方面，Omnitek公布了在英特爾Arria10 GX1150 FPGA上實(shí)現(xiàn)的DPU性能數(shù)據(jù)，如下所示。

單就上面的數(shù)字來(lái)看，特別是TOPS一欄，只能說(shuō)差強(qiáng)人意。不過(guò)性能功耗比（GOPS/W）比較高，能夠體現(xiàn)FPGA的低功耗優(yōu)勢(shì)。同時(shí)考慮到Arria10是一款基于20nm工藝的FPGA，因此可以預(yù)期當(dāng)使用更先進(jìn)的FPGA，如Stratix 10（14納米）或Agelix（10納米）時(shí)，上面的數(shù)字將無(wú)疑會(huì)有大幅提升。

事實(shí)上，Omnitek也有使用賽靈思16納米UltraScale+ FPGA所取得的性能結(jié)果，比上面的數(shù)據(jù)有著明顯提升，本文不再給出，有興趣的讀者歡迎在老石談芯后臺(tái)回復(fù)“DPU”查看。

結(jié)語(yǔ)

Omnitek作為一家做了20年的視頻圖像FPGA IP提供商，剛剛切入人工智能芯片領(lǐng)域，就依托技術(shù)積累開(kāi)發(fā)出了地表最強(qiáng)的深度學(xué)習(xí)處理器，并隨后被英特爾收購(gòu)，這一系列操作實(shí)在讓人眼花繚亂。

這次收購(gòu)對(duì)于英特爾而言，不僅補(bǔ)強(qiáng)了其在視頻和圖像處理領(lǐng)域的FPGA IP組合，更是直接得到了Omnitek已經(jīng)比較成熟的DPU軟硬件方案。這無(wú)疑進(jìn)一步擴(kuò)展了英特爾在人工智能領(lǐng)域的產(chǎn)品布局和多樣性。

Omnitek的官網(wǎng)上列出了很多公司的核心價(jià)值觀，其中很有趣的一點(diǎn)，就是它允許員工有著靈活的工作時(shí)間，因?yàn)楣尽袄斫鈱?duì)于所有員工來(lái)說(shuō)，保持‘朝九晚五’的工作時(shí)間是很困難的”。這在996盛行的今天，無(wú)疑更加值得我們思考，工作和生活，哪個(gè)才是我們應(yīng)該追求的福報(bào)。