隨著數(shù)據(jù)中心、人工智能、機器學(xué)習(xí)、云計算等計算對高性能需求的逐漸提升，F(xiàn)PGA與SOC的融合速度正在加快。預(yù)計到2020年，大概會有三分之一的服務(wù)器會將FPGA用到里面。微軟正在利用FPGA技術(shù)將其數(shù)據(jù)中心的性能提升了30倍，這也成為Intel收購Altera的一個重要原因。此外，Google也發(fā)布了一款TPU芯片，專供機器學(xué)習(xí)和人工智能，這款芯片的架構(gòu)就首次定義了如何用FPGA來增加芯片性能。數(shù)據(jù)中心和企業(yè)中的計算與通信基礎(chǔ)設(shè)施在指數(shù)級數(shù)據(jù)增長速率、不斷變化的安全和軟件虛擬化要求面前，很難再保持同步。傳統(tǒng)的多核CPU和SoC需要可編程硬件加速器來預(yù)處理和卸載數(shù)據(jù)，從而提升其計算性能。FPGA是最佳的硬件加速器解決方案，因為隨著算法的不斷變化，加速器需要不斷用新的功能來實現(xiàn)更新。對于低至中容量應(yīng)用，獨立的FPGA芯片是一種方便且實際的解決方案，比如最近iphone7的SOC中就外掛了一顆Lattice的FPGA；然而，對于高容量應(yīng)用，嵌入式FPGA成為最佳解決方案。
如果從FPGA的市場發(fā)展趨勢來看，第一個階段是80~90年代，那個時候FPGA主要應(yīng)用在TTL上，總體市場大概從0到5億美金。第二階段是90年代到2015年，這個是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展年代。很多路由器交換機都需要用到FPGA，因為工藝不斷的增長，F(xiàn)PGA變得越來越大，性能越來越高，成本也越來越低。隨著互聯(lián)網(wǎng)的增長，F(xiàn)PGA的市場從5億美金增長到50億美金。第三個階段是2016年后，這個市場將會主要作為硬件加速和CPU的協(xié)處理器。市場規(guī)模也逐漸與SOC的市場開始重合。
在FPGA的應(yīng)用范圍來看：第一個是服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心加速。這個數(shù)據(jù)中心的加速有幾個不同的應(yīng)用，比如加密、解密、加速、人工智能、DPI深度包檢查、機器學(xué)習(xí)等方面，這些通用點需要很大的做數(shù)據(jù)的處理能力。要做數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA很適合做這些處理。另外兩個應(yīng)用，一個是軟件去定義網(wǎng)絡(luò)，來做網(wǎng)絡(luò)加速。另外是下一代5G通信，因為有很大的帶寬，需要FPGA來做加速。
“我們覺得嵌入式FPGA可以起到很大的作用，市場會遠(yuǎn)超過50億美金。” Achronix CEO Robert Blake先生表示，現(xiàn)在的CPU都是從多核方向發(fā)展，可以同時處理幾個不同的功能。但是這個多核不是成比例的增長，越多核處理能力的增長比例是下降的。采用嵌入式FPGA可以做平行的硬件加速，可以幫助CPU處理并行應(yīng)用，提升10倍的速度。
對于未來的應(yīng)用趨勢，ROBERT BLAKE先生表示，首先加速的需求也會多種多樣，從上面可以發(fā)展出不同的業(yè)務(wù)。另外一個很重要的應(yīng)用是5G通信，在天線的信號處理方面，如“上變頻、下變頻、預(yù)失真”等功能都要用到FPGA。“CPU的強項在于同時做很多事情，F(xiàn)PGA的強項在于做某一項專業(yè)的事情。”
Achronix CEO Robert Blake先生。20年前， Robert Blake先生就作為Altera的FAE來過深圳，當(dāng)時的華為就已經(jīng)成為了Altera的客戶，并將FPGA應(yīng)用到通信基站中。20年后，ROBERT BLAKE先生第二次來到深圳，除了感嘆深圳這座移民城市變化之大外，同樣也是因為看到了FPGA在高性能數(shù)據(jù)運算領(lǐng)域的龐大市場前景。
Achronix Semiconductor是一家私有的、采用無晶圓廠模式的半導(dǎo)體公司，總部位于美國加利福尼亞州圣克拉拉市。公司開發(fā)了全球最先進(jìn)的FPGA技術(shù)，該技術(shù)是其多個產(chǎn)品系列的基礎(chǔ)，包括Speedster™22i系列獨立FPGA以及最近發(fā)布的Speedcore™ eFPGA IP產(chǎn)品。Achronix的所有FPGA產(chǎn)品均由其ACE設(shè)計工具提供支持，該工具還集成了對Synopsys Synplify Pro工具的支持。公司在美國、歐洲和中國都設(shè)有銷售辦公室和代表處，在印度班加羅爾設(shè)有一間研發(fā)和設(shè)計辦公室。
10月11日，Achronix推出可集成至客戶系統(tǒng)級芯片（SoC）中的Speedcore™ 嵌入式FPGA（embedded FPGA ，簡稱為eFPGA）知識產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品，并即刻開始向客戶供貨。這與Xilinx和 Altera 提出的SoC FPGA貌似是完全相反的方向。SoC FPGA是將SOC嵌入到FPGA內(nèi)，而eFPGA則是將FPGA作為IP嵌入到SOC內(nèi)，幫助SOC來做加速和數(shù)據(jù)處理。
表面上看，似乎兩者區(qū)別不大。那么，到底什么是eFPGA?跟獨立的FPGA相比它有什么好處呢？
Achronix Semiconductor公司（簡稱Achronix）的 CEO Robert Blake向《國際電子商情》記者揭示了答案。“為什么客戶會有興趣用嵌入式FPGA？”ROBERT BLAKE先生認(rèn)為，第一個原因就是因為性能，相比獨立的FPGA，eFPGA最大的好處是可以增加帶寬，減小延遲。同時功耗和成本也大大減少。相比FPGA器件，“互聯(lián)網(wǎng)帶寬增加了10倍，互聯(lián)延遲減小至1/10，功耗降低了50%，成本則降低了90%。”
Speedcore是一個高端的FPGA的核，這是Achronix的FPGA核Speedcore與同類競品的比較。將其中一個Speedcore嵌入式FPGA跟競爭對手的核比較，在邏輯單元差不多的情況下。對比發(fā)現(xiàn)，獨立的FPGA受制于封裝，因為管腳有限，EFPGA的帶寬是它的10倍。此外，外掛FPGA要經(jīng)過收發(fā)器協(xié)議的轉(zhuǎn)移，所以這個延誤相距很大。
EFPGA的好處有哪些？傳統(tǒng)的高端FPGA主要是兩部分，F(xiàn)PGA核以及周邊邏輯器件。如果FPGA可以放在SOC里面，外圍的周邊器件和管腳可以省去客戶 可以省略可編程的IO，節(jié)省很多空間。PCB的面積也可以更小。PCB的層級也可以減少，很多跟FPGA連接的元器件，比如Power等IP全部可以省略。
這些器件的節(jié)省帶來了功耗的減少，特別是IO的功耗可以減少很多。
“如果你買外掛的獨立FPGA，F(xiàn)PGA的成本是很高的。”ROBERT BLAKE先生表示，在成本方面，可以很明顯看到eFPGA電路板的成本減少。除了DIE的成本減少外，制造成本也會減少。
“雖然今天才公布這個產(chǎn)品，但我們在3年前就已經(jīng)開始開發(fā)了，而且目前已經(jīng)有客戶在使用了。”ROBERT BLAKE先生表示，Achronix的一共有三大產(chǎn)品線。其中第一個產(chǎn)品線是獨立的FPGA器件，采用的內(nèi)核是SPEEDSTER22i。第二個產(chǎn)品線是今年4月發(fā)布的硬件加速卡，主要應(yīng)用在高性能計算中，幫助加速。第三個產(chǎn)品線就是這次發(fā)布的eFPGA了。ROBERT BLAKE先生同時也透露了下一代采用SPEEDSTER核的獨立FPGA，將會在2017年下半年供貨。
其實從ASIC的歷史發(fā)展來看，本身也是有越來越多的功能IP加入進(jìn)來，但是FPGA一直沒有作為一個IP加入進(jìn)來。主要有兩個原因：第一是市場上沒有人愿意提供技術(shù)，第二個是技術(shù)太貴。
此外，這樣做的門檻也非常高并不是所有公司都能做到。ROBERT BLAKE先生表示，如果嵌入式FPGA要成功：第一個需要FPGA的設(shè)計能力和經(jīng)驗，還有是軟件工具，真正有客戶在應(yīng)用這個產(chǎn)品；第二個是要懂得怎么去執(zhí)行和連接，就算IP給SOC的客戶，你也不懂怎么連接在一起。另外是品質(zhì)怎么保證？生產(chǎn)中怎么處理干擾，ESD干擾怎么做，有什么長期的要求？我們都有經(jīng)驗和文檔如何跟這些客戶進(jìn)行配合。另外一個例子是測試流程，客戶要求我們測試時間越短越好，因為涉及到成本。這些都是很現(xiàn)實的問題。
一個好的軟件開發(fā)工具對于嵌入式FPGA非常重要，在過去的很多年中，Achronix一直不斷的增加很多功能，如軟件綜合、布線布局、驗證等。
Achronix會根據(jù)客戶的需求提供匯編工具和軟件，這個軟件可以讓客戶方便的進(jìn)行開發(fā)。
除此之外，eFPGA也會根據(jù)客戶需求來進(jìn)行定制化開發(fā)。
“我們定義的是模塊化，不同的資源、邏輯、存儲器的IP都是模塊化，客戶需要的話我們可以很快的拼在一起，就像拼樂高一樣。”ROBERT BLAKE先生表示，如果客戶有不同的需求要不同的資源，可以根據(jù)需求拼出新的核。比如5G的客戶需要更多的DSP處理，如果要做高端性能計算，可以增加更多的存儲器。所以客戶需要什么樣的資源，就可以做更多的嵌入式的定義。除了IP可以定制化，工藝也可以定制。“比如客戶需求，我們需要在TSMC的16nm工藝來做。如果客戶說需要新的工藝，比如Intel的22nm，我們大概需要4~6個月來進(jìn)行轉(zhuǎn)移。”ROBERT BLAKE先生表示，他們的合作的廠商其實有很完備的SOC制作經(jīng)驗，他們的ASIC跟我們的EFPGA結(jié)合應(yīng)該怎么做，會有很詳細(xì)的步驟介紹。ROBERT BLAKE先生表示，現(xiàn)在已經(jīng)可以提供基于臺積電（TSMC）的16納米FinFET Plus（16FF+）工藝的Speedcore IP產(chǎn)品，并且正在開發(fā)基于臺積電的7納米工藝的IP。
Achronix的商業(yè)模式其實很簡單，跟ARM類似。主要也是IP授權(quán)收license費，另外也根據(jù)他們的出貨量收入知識產(chǎn)權(quán)費用。此外，采用Achronix的軟件工具進(jìn)行開發(fā)和編程，會有一個工具的升級更新維護(hù)費。“雖然剛發(fā)布不久，我們預(yù)計speedcore的受益是1200萬美金，估計明年EFPGA帶來的受益會超過4000萬美金。”ROBERT BLAKE先生表示，Achronix也是目前唯一能提供獨立的FPGA和EFPGA的公司。
“多年以來，不同的公司都一直在談?wù)揺FPGA產(chǎn)品，但Achronix的Speedcore是首款向客戶出貨的eFPGA IP產(chǎn)品，它是游戲規(guī)則的改變者，”Achronix Semiconductor董事長兼首席執(zhí)行官Robert Blake表示。“Achronix曾是第一家提供帶有嵌入式系統(tǒng)級別IP的高密度FPGA的供應(yīng)商。我們正在使用相同的、經(jīng)過驗證的技術(shù)向客戶提供我們的eFPGA產(chǎn)品，這些客戶都希望將ASIC設(shè)計的各種高效能和eFPGA可編程硬件加速器的靈活性結(jié)合在同一款芯片中。”
“FPGA作為IP集成到SOC芯片中會有很多內(nèi)在的優(yōu)勢，長期以來，設(shè)計人員一直在尋找嵌入式FPGA用于眾多不同的高性能應(yīng)用，”市場研究公司Semico的ASIC與SoC首席分析師Richard Wawrzyniak表示。“Achronix現(xiàn)在已向開發(fā)高性能計算產(chǎn)品的客戶提供eFPGA IP產(chǎn)品，為其實現(xiàn)從處理器卸載那些高密度計算任務(wù)到FPGA IP中，從而帶來顯著的性能提升。面對龐大且不斷增長的高性能計算應(yīng)用市場，eFPGA產(chǎn)品對于Achronix公司是一個令人激動的機會，也是半導(dǎo)體行業(yè)的巨大利好。”
