隨著(zhù)數據中心、人工智能、機器學(xué)習、云計算等計算對高性能需求的逐漸提升，FPGA與SOC的融合速度正在加快。預計到2020年，大概會(huì )有三分之一的服務(wù)器會(huì )將FPGA用到里面。微軟正在利用FPGA技術(shù)將其數據中心的性能提升了30倍，這也成為Intel收購Altera的一個(gè)重要原因。此外，Google也發(fā)布了一款TPU芯片，專(zhuān)供機器學(xué)習和人工智能，這款芯片的架構就首次定義了如何用FPGA來(lái)增加芯片性能。數據中心和企業(yè)中的計算與通信基礎設施在指數級數據增長(cháng)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。傳統的多核CPU和SoC需要可編程硬件加速器來(lái)預處理和卸載數據，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(zhù)算法的不斷變化，加速器需要不斷用新的功能來(lái)實(shí)現更新。對于低至中容量應用，獨立的FPGA芯片是一種方便且實(shí)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，對于高容量應用，嵌入式FPGA成為最佳解決方案。
如果從FPGA的市場(chǎng)發(fā)展趨勢來(lái)看，第一個(gè)階段是80~90年代，那個(gè)時(shí)候FPGA主要應用在TTL上，總體市場(chǎng)大概從0到5億美金。第二階段是90年代到2015年，這個(gè)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(cháng)，FPGA變得越來(lái)越大，性能越來(lái)越高，成本也越來(lái)越低。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的增長(cháng)，FPGA的市場(chǎng)從5億美金增長(cháng)到50億美金。第三個(gè)階段是2016年后，這個(gè)市場(chǎng)將會(huì )主要作為硬件加速和CPU的協(xié)處理器。市場(chǎng)規模也逐漸與SOC的市場(chǎng)開(kāi)始重合。
在FPGA的應用范圍來(lái)看：第一個(gè)是服務(wù)器的數據中心加速。這個(gè)數據中心的加速有幾個(gè)不同的應用，比如加密、解密、加速、人工智能、DPI深度包檢查、機器學(xué)習等方面，這些通用點(diǎn)需要很大的做數據的處理能力。要做數據處理，FPGA很適合做這些處理。另外兩個(gè)應用，一個(gè)是軟件去定義網(wǎng)絡(luò )，來(lái)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(lái)做加速。
“我們覺(jué)得嵌入式FPGA可以起到很大的作用，市場(chǎng)會(huì )遠超過(guò)50億美金。” Achronix CEO Robert Blake先生表示，現在的CPU都是從多核方向發(fā)展，可以同時(shí)處理幾個(gè)不同的功能。但是這個(gè)多核不是成比例的增長(cháng)，越多核處理能力的增長(cháng)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處理并行應用，提升10倍的速度。
對于未來(lái)的應用趨勢，ROBERT BLAKE先生表示，首先加速的需求也會(huì )多種多樣，從上面可以發(fā)展出不同的業(yè)務(wù)。另外一個(gè)很重要的應用是5G通信，在天線(xiàn)的信號處理方面，如“上變頻、下變頻、預失真”等功能都要用到FPGA。“CPU的強項在于同時(shí)做很多事情，FPGA的強項在于做某一項專(zhuān)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(lái)過(guò)深圳，當時(shí)的華為就已經(jīng)成為了Altera的客戶(hù)，并將FPGA應用到通信基站中。20年后，ROBERT BLAKE先生第二次來(lái)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在高性能數據運算領(lǐng)域的龐大市場(chǎng)前景。
Achronix Semiconductor是一家私有的、采用無(wú)晶圓廠(chǎng)模式的半導體公司，總部位于美國加利福尼亞州圣克拉拉市。公司開(kāi)發(fā)了全球最先進(jìn)的FPGA技術(shù)，該技術(shù)是其多個(gè)產(chǎn)品系列的基礎，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、歐洲和中國都設有銷(xiāo)售辦公室和代表處，在印度班加羅爾設有一間研發(fā)和設計辦公室。
10月11日，Achronix推出可集成至客戶(hù)系統級芯片（SoC）中的Speedcore™ 嵌入式FPGA（embedded FPGA ，簡(jiǎn)稱(chēng)為eFPGA）知識產(chǎn)權（IP）產(chǎn)品，并即刻開(kāi)始向客戶(hù)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，而eFPGA則是將FPGA作為IP嵌入到SOC內，幫助SOC來(lái)做加速和數據處理。
表面上看，似乎兩者區別不大。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(jiǎn)稱(chēng)Achronix）的 CEO Robert Blake向《國際電子商情》記者揭示了答案。“為什么客戶(hù)會(huì )有興趣用嵌入式FPGA？”ROBERT BLAKE先生認為，第一個(gè)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(shí)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(gè)高端的FPGA的核，這是Achronix的FPGA核Speedcore與同類(lèi)競品的比較。將其中一個(gè)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，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(guò)收發(fā)器協(xié)議的轉移，所以這個(gè)延誤相距很大。
EFPGA的好處有哪些？傳統的高端FPGA主要是兩部分，FPGA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(hù) 可以省略可編程的IO，節省很多空間。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。
這些器件的節省帶來(lái)了功耗的減少，特別是IO的功耗可以減少很多。
“如果你買(mǎi)外掛的獨立FPGA，FPGA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(huì )減少。
“雖然今天才公布這個(gè)產(chǎn)品，但我們在3年前就已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)了，而且目前已經(jīng)有客戶(hù)在使用了。”ROBERT BLAKE先生表示，Achronix的一共有三大產(chǎn)品線(xiàn)。其中第一個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)是獨立的FPGA器件，采用的內核是SPEEDSTER22i。第二個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)是今年4月發(fā)布的硬件加速卡，主要應用在高性能計算中，幫助加速。第三個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)就是這次發(fā)布的eFPGA了。ROBERT BLAKE先生同時(shí)也透露了下一代采用SPEEDSTER核的獨立FPGA，將會(huì )在2017年下半年供貨。
其實(shí)從ASIC的歷史發(fā)展來(lái)看，本身也是有越來(lái)越多的功能IP加入進(jìn)來(lái)，但是FPGA一直沒(méi)有作為一個(gè)IP加入進(jìn)來(lái)。主要有兩個(gè)原因：第一是市場(chǎng)上沒(méi)有人愿意提供技術(shù)，第二個(gè)是技術(shù)太貴。
此外，這樣做的門(mén)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(gè)需要FPGA的設計能力和經(jīng)驗，還有是軟件工具，真正有客戶(hù)在應用這個(gè)產(chǎn)品；第二個(gè)是要懂得怎么去執行和連接，就算IP給SOC的客戶(hù)，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(cháng)期的要求？我們都有經(jīng)驗和文檔如何跟這些客戶(hù)進(jìn)行配合。另外一個(gè)例子是測試流程，客戶(hù)要求我們測試時(shí)間越短越好，因為涉及到成本。這些都是很現實(shí)的問(wèn)題。
一個(gè)好的軟件開(kāi)發(fā)工具對于嵌入式FPGA非常重要，在過(guò)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(xiàn)布局、驗證等。
Achronix會(huì )根據客戶(hù)的需求提供匯編工具和軟件，這個(gè)軟件可以讓客戶(hù)方便的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
除此之外，eFPGA也會(huì )根據客戶(hù)需求來(lái)進(jìn)行定制化開(kāi)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(hù)需要的話(huà)我們可以很快的拼在一起，就像拼樂(lè )高一樣。”ROBERT BLAKE先生表示，如果客戶(hù)有不同的需求要不同的資源，可以根據需求拼出新的核。比如5G的客戶(hù)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(hù)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(hù)需求，我們需要在TSMC的16nm工藝來(lái)做。如果客戶(hù)說(shuō)需要新的工藝，比如Intel的22nm，我們大概需要4~6個(gè)月來(lái)進(jìn)行轉移。”ROBERT BLAKE先生表示，他們的合作的廠(chǎng)商其實(shí)有很完備的SOC制作經(jīng)驗，他們的ASIC跟我們的EFPGA結合應該怎么做，會(huì )有很詳細的步驟介紹。ROBERT BLAKE先生表示，現在已經(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(kāi)發(fā)基于臺積電的7納米工藝的IP。
Achronix的商業(yè)模式其實(shí)很簡(jiǎn)單，跟ARM類(lèi)似。主要也是IP授權收l(shuí)icense費，另外也根據他們的出貨量收入知識產(chǎn)權費用。此外，采用Achronix的軟件工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)和編程，會(huì )有一個(gè)工具的升級更新維護費。“雖然剛發(fā)布不久，我們預計speedcore的受益是1200萬(wàn)美金，估計明年EFPGA帶來(lái)的受益會(huì )超過(guò)4000萬(wàn)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(lái)，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(hù)出貨的eFPGA IP產(chǎn)品，它是游戲規則的改變者，”Achronix Semiconductor董事長(cháng)兼首席執行官Robert Blake表示。“Achronix曾是第一家提供帶有嵌入式系統級別IP的高密度FPGA的供應商。我們正在使用相同的、經(jīng)過(guò)驗證的技術(shù)向客戶(hù)提供我們的eFPGA產(chǎn)品，這些客戶(hù)都希望將ASIC設計的各種高效能和eFPGA可編程硬件加速器的靈活性結合在同一款芯片中。”
“FPGA作為IP集成到SOC芯片中會(huì )有很多內在的優(yōu)勢，長(cháng)期以來(lái)，設計人員一直在尋找嵌入式FPGA用于眾多不同的高性能應用，”市場(chǎng)研究公司Semico的ASIC與SoC首席分析師Richard Wawrzyniak表示。“Achronix現在已向開(kāi)發(fā)高性能計算產(chǎn)品的客戶(hù)提供eFPGA IP產(chǎn)品，為其實(shí)現從處理器卸載那些高密度計算任務(wù)到FPGA IP中，從而帶來(lái)顯著(zhù)的性能提升。面對龐大且不斷增長(cháng)的高性能計算應用市場(chǎng)，eFPGA產(chǎn)品對于A(yíng)chronix公司是一個(gè)令人激動(dòng)的機會(huì )，也是半導體行業(yè)的巨大利好。”
