【導讀】對于機器人而言，什么才最重要？能夠暴力彈跳的復雜機械裝置？各類(lèi)價(jià)格昂貴的傳感器？不對，最重要的是能在復雜的環(huán)境中完成特定工作，為了實(shí)現這目標，機器人要眼觀(guān)六路，耳聽(tīng)八方，行走天下。而這一切都離不開(kāi)一顆強勁的大腦——高性能計算平臺和高效算法。
通用處理器在計算性能和能效上越來(lái)越難以滿(mǎn)足日益龐大、多樣化的數據處理需求。 借助由GPU、FPGA和其他智能引擎等協(xié)處理器與CPU一起組成的異構計算平臺來(lái)提升計算性能，已成為當下學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。 異構計算作為一種特殊的并行計算方式，能夠根據每個(gè)計算子系統的結構特點(diǎn)為其分配不同的計算任務(wù)，在提高計算性能、能效比和實(shí)時(shí)性保障方面體現出傳統架構所不具備的優(yōu)勢，逐漸在各種計算需求量較大的場(chǎng)合得到應用。針對數據中心場(chǎng)景，英特爾已經(jīng)宣布要通過(guò)Xeon+FPGA平臺和Xeon Phi系列產(chǎn)品來(lái)推動(dòng)異構計算的實(shí)施。
那么，在我們所關(guān)心的機器人領(lǐng)域，情況又是如何？
一、機器人需要怎樣的計算平臺
機器人是復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(dòng)控制與驅動(dòng)、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。
機器人系統和系統中的傳感器
為了將這些成果融合起來(lái)，真正形成認知、感受和行動(dòng)的能力，使機器人能夠理解并應對真實(shí)的世界，準確完成操作任務(wù)，其搭載的計算平臺需滿(mǎn)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(lèi)傳感器數據。
2）控制能力：能夠控制各個(gè)運動(dòng)部位，如底盤(pán)、手臂、手指和頭部，完成多個(gè)維度的動(dòng)作，并且具備實(shí)時(shí)性和安全性方面的保障。
3）計算能力：既要應對大量數據的處理開(kāi)銷(xiāo)，更要滿(mǎn)足各類(lèi)智能算法巨大的計算需求。
4）功耗控制：要在滿(mǎn)足以上能力的同時(shí)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，使機器人的應用開(kāi)發(fā)快速、準確。
現有的計算平臺很難滿(mǎn)足以上需求，搭建適用于機器人的異構計算平臺已經(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。
二、什么是FPGA
自1985年問(wèn)世以來(lái)，FPGA這種可編程邏輯器件憑借在性能、上市時(shí)間、成本、穩定性和長(cháng)期維護方面的優(yōu)勢，在通信、醫療、工控和安防等領(lǐng)域占有一席之地。特別是近兩年，隨著(zhù)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(xiàn)資源、底層嵌入功能單元和內嵌專(zhuān)用硬核。 英特爾首席執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(shí)編程。FPGA可以用作多個(gè)領(lǐng)域的加速器，例如在加密的同時(shí)進(jìn)行面部搜索，并能在微秒內重新編程。其成本遠低于大規模單個(gè)定制部件，并具有更高的靈活性。”
隨著(zhù)工藝的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，FPGA的性能、指標都達到了新高度。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(diǎn)數字信號處理(DSP)模塊，其速率高達每秒1.5萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算(1.5 TFLOPS)。
FPGA的結構
即便擁有上述優(yōu)勢，傳統上FPGA的開(kāi)發(fā)難度還是令諸多程序員望而卻步。然而，隨著(zhù)OpenCL標準的出現，FPGA的應用門(mén)檻正在大幅降低?；贠penCL的開(kāi)發(fā)框架，用戶(hù)可以擺脫傳統的基于硬件描述語(yǔ)言（HDL）的開(kāi)發(fā)流程，轉而采用更高效、也更符合廣大程序員背景的軟件開(kāi)發(fā)流程。
OpenCL標準是第一個(gè)開(kāi)放、免版稅、統一的編程模型，能夠在異構系統上加速算法實(shí)現，支持使用基于C的編程語(yǔ)言進(jìn)行跨平臺開(kāi)發(fā) ，例如CPU、GPU、DSP和FPGA。支持OpenCL的異構系統一般通過(guò)PCle總線(xiàn)實(shí)現主機與硬件加速器（或者一個(gè)內核與另一個(gè)沒(méi)有主機控制的內核）之間的通信，而這一切并不需要程序開(kāi)發(fā)者的關(guān)注。相反，開(kāi)發(fā)者只需了解OpenCL定義的標準化的應用程序接口(API)。如今，各個(gè)主流的深度學(xué)習框架都提供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(shí)現。
OpenCL的編程模型
三、基于CPU+FPGA的異構計算平臺
我們機器人系統實(shí)驗室今年的工作重點(diǎn)便是為機器人搭建基于CPU+FPGA的異構計算平臺。根據我們的經(jīng)驗，FPGA能夠在一些關(guān)鍵的機器人應用中發(fā)揮極大的價(jià)值。例如，我們將機器人自身定位的算法（SLAM）移植到FPGA中執行，實(shí)現了比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(dòng)，而不會(huì )“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(dòng)平臺使用的CPU和Arria 10系列的FPGA。 兩者通過(guò)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(huì )提供一套通用接口，便于模塊開(kāi)發(fā)者包裝、發(fā)布已有的設計。
機器人的異構計算平臺
在軟件層面，我們會(huì )構建加速模塊的配置、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用中，并設計一些定位、控制、視覺(jué)識別和物體建模的常用模塊，以及軟件的集成包，供用戶(hù)作為參考設計或直接選用。
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，融入我們的日常生活，為人類(lèi)提供更好的服務(wù)。
