FPGA运算单元可以支持高算力浮点？

shuszhao

随着机器学习（Machine Learning）领域越来越多地使用现场可编程门阵列（FPGA）来进行推理（inference）加速，而传统FPGA只支持定点运算的瓶颈越发凸显。为了解决这一困境，Achronix设计出了机器学习处理器（MLP）单元，不仅支持浮点的乘加运算，还可以支持对多种定浮点数格式进行拆分。

MLP全称Machine Learning Processing单元，是由一组至多32个乘法器的阵列，以及一个加法树、累加器、还有四舍五入rounding/饱和saturation/归一化normalize功能块。同时还包括2个缓存，分别是一个BRAM72k和LRAM2k，用于独立或结合乘法器使用。MLP支持定点模式和浮点模式，对应下面图1和图2。
图1:定点模式下的MLP框图
图2 :浮点模式下的MLP框图
考虑到运算能耗和准确度的折衷，目前机器学习引擎中最常使用的运算格式是FP16和INT8，而Tensor Flow支持的BF16则是通过降低精度，来获得更大数值空间。下面的表1是MLP支持的最大位宽的浮点格式，表2说明了各自的取值范围。
表1: MLP支持的最大位宽的浮点格式
表2 :不同运算格式的取值范围
而且这似乎也成为未来的一种趋势。目前已经有不少研究表明，更小位宽的浮点或整型可以在保证正确率的同时，还可以减少大量的计算量。因此，为了顺应这一潮流，MLP还支持将大位宽乘法单元拆分成多个小位宽乘法，包括整数和浮点数。详见下表3。
值得注意的是，这里的bfloat16即Brain Float格式，而block float为块浮点算法，即当应用Block Float16及更低位宽块浮点格式时，指数位宽不变，小数位缩减到了16bit以内，因此浮点加法位宽变小，并且不需要使用浮点乘法单元，而是整数乘法和加法树即可，MLP的架构可以使这些格式下的算力倍增。
表3是Speedster7t系列1500器件所支持的典型格式下的算力对比，可以看到，单片FPGA的浮点算力最高可达到123TOPS。
表3:Achronix的Speedster7t系列1500器件支持的典型格式的算力对比
下图3是MLP中FP24/FP16乘加单元的简化结构图，即一个MLP支持FP24/FP16的A*B+C*D，或者A*B，C*D。
图3:MLP中FP24/FP16乘加单元的简化结构图
而以下的图4则是块浮点乘加单元结构。
图 4: 块浮点乘加单元结构
这里考虑浮点数序列块，浮点数序列块，各序列块内均拥有相同的指数ea和eb。则

不难看出，乘法单元的个数取决于尾数（即整数）位宽。
表4:MLP中乘法单元的个数与整数位宽的关系