在全球范圍內(nèi)，FPGA行業(yè)的主要市場份額常年被賽靈思和英特爾兩家公司牢牢掌握。隨著時(shí)間的積累，這兩家公司逐漸構(gòu)建起一道由上萬件核心技術(shù)專利組成的“護(hù)城河”，而這條護(hù)城河也成功阻止了很多FPGA公司進(jìn)一步發(fā)展的腳步。一些存活下來的公司，比如Lattice和Microsemi，往往只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。
然而，在2019年5月底，一家名為Achronix的美國公司發(fā)布了一款名為Speedster7t的FPGA產(chǎn)品，主打高速網(wǎng)絡(luò)傳輸、機(jī)器學(xué)習(xí)加速等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場景既屬于FPGA的傳統(tǒng)優(yōu)勢項(xiàng)目，也包含了近年來正在蓬勃興起的FPGA全新應(yīng)用。很明顯，Achronix公司就是要借這款產(chǎn)品和賽靈思與英特爾等巨頭FPGA公司正面對決。
這家名字有些拗口的公司成立至今已有15年。在這些年里，Achronix從無到有、從小到大，逐漸發(fā)展起來，并在今天有了和巨頭FPGA公司一決高下的底氣。在接下來的文章中，老石將具體分析Achronix最新FPGA的性能特點(diǎn)，以及它的發(fā)展歷程對于我們國產(chǎn)FPGA行業(yè)有哪些啟示。
Achronix是誰
Achronix公司成立于2004年，總部位于美國硅谷的Santa Clara，在印度設(shè)有研發(fā)中心，在深圳也設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。雖然距成立至今已有15年時(shí)間，Achronix目前仍然是一家私人公司，外界猜測其總?cè)谫Y金額大概在1.8億美元到2億美元之間。
值得注意的是，Achronix已于2017年第一季度實(shí)現(xiàn)盈利，其季度營收也由2016年第四季度的500萬美元，一年后躍升至4000萬美元，并成為當(dāng)時(shí)世界上發(fā)展速度最快的半導(dǎo)體公司之一。
Achronix近年的飛速發(fā)展一方面得益于FPGA技術(shù)本身的不斷廣泛應(yīng)用，另一方面得益于它自身的技術(shù)進(jìn)步。有意思的是，作為無晶圓廠芯片公司，Achronix曾由英特爾代工，發(fā)布了世界上首個(gè)基于FinFET技術(shù)的FPGA，甚至早于賽靈思以及后來被英特爾收購的FPGA第二大廠Altera。Achronix的這款FPGA，也是英特爾代工制造的首個(gè)FPGA。
除了“傳統(tǒng)”FPGA芯片產(chǎn)品之外，Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商，見下圖。在之前的文章曾經(jīng)介紹過，包括Facebook在內(nèi)的一些大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)據(jù)信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潛在客戶。
（圖片來自Achronix）
與傳統(tǒng)FPGA相比，eFPGA的最主要特點(diǎn)是能將可編程邏輯單元與其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在縮小芯片面積的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗，如下圖所示。關(guān)于eFPGA的更多內(nèi)容，有興趣的讀者可以查看老石之前的文章《啥是eFPGA》，在本文不再贅述。
（圖片來自Achronix）
Speedster7t：對標(biāo)Agilex和ACAP的全新FPGA
今年五月底新發(fā)布的Speedster7t系列FPGA，應(yīng)該算是Achronix的技術(shù)集大成者，這也給了Achronix叫板賽靈思和英特爾的信心和勇氣。事實(shí)上，這款FPGA的確有不少讓人眼前一亮的技術(shù)特點(diǎn)值得我們關(guān)注。
（圖片來自Achronix）
在工藝制程方面，Speedster7t將基于臺積電的7納米工藝制造，這與賽靈思的“ACAP”芯片使用的是相同的制造工藝。由于臺積電的7納米工藝與英特爾的10納米工藝屬于同代，因此Speedster7t在工藝制程上和英特爾的旗艦FPGA“Agilex”相比不落下風(fēng)。
在芯片架構(gòu)方面，Achronix的這款FPGA最大的特點(diǎn)之一就是采用了遍布芯片的2D片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這與賽靈思的ACAP再一次不謀而合。
片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（NoC）是當(dāng)前為了應(yīng)對帶寬瓶頸而逐漸興起的重要技術(shù)，在老石之前的文章中曾多次提及。特別是在高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如5G、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，已經(jīng)開始需要FPGA線速處理高達(dá)400Gbps的以太網(wǎng)流量。如果使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要1024位寬的數(shù)據(jù)總線，并運(yùn)行在724MHz的時(shí)鐘頻率下才能滿足帶寬要求。此外，可編程邏輯單元往往需要從芯片的不同位置傳輸數(shù)據(jù)，包括片上和片外的存儲器、以及特定的硬件加速模塊，如機(jī)器學(xué)習(xí)加速器等等。為了在片上進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸和搬運(yùn)，必須采用全新的片上網(wǎng)絡(luò)NoC技術(shù)。
在Speedster7t上采用了橫向和縱向的2D片上網(wǎng)絡(luò)，并使用256位寬的AXI總線實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在高達(dá)2GHz的頻率下，從而提供單路512Gbps、總共20Tbps的片上網(wǎng)絡(luò)帶寬。
除了滿足帶寬要求，通過使用片上網(wǎng)絡(luò)還能將片上邏輯單元?jiǎng)澐殖上鄬Υ至６鹊膮^(qū)域，從而極大降低布局布線算法的復(fù)雜度，也能提高時(shí)序收斂的速度。老石相信，片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會是未來FPGA架構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
此外，Speedster7t上集成了多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（Machine Learning Processor – MLP），它可以支持不同定點(diǎn)數(shù)及浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算操作，如下圖所示。此外，這款FPGA還能在片上最多集成300Mb的內(nèi)存單元，以滿足人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。雖然片上內(nèi)存的容量距離賽靈思UltraScale+系列高達(dá)500Mb的片上內(nèi)存還有一定差距，但已經(jīng)和英特爾Stratix10系列FPGA的片上內(nèi)存容量差不多。
（圖片來自Achronix）
除了片上網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器之外，Speedster7t還集成了很多高速接口，如PCIe Gen5、GDDR6、112Gbps SerDes等等，本文不再詳述。
Achronix的發(fā)展歷程對國產(chǎn)FPGA的重要啟示
Achronix歷時(shí)15年的發(fā)展，從無到有，從小到大，直到今天能和兩大FPGA巨頭公司一較高下，這其中有著很多值得我們國產(chǎn)FPGA公司借鑒的啟示和經(jīng)驗(yàn)。
首先，技術(shù)的發(fā)展沒有捷徑，不要過分迷信“彎道超車”。Achronix的技術(shù)積累并非一蹴而就，而是需要長達(dá)十幾年的時(shí)間不斷沉淀和創(chuàng)新。特別是對于專利壁壘極高的FPGA產(chǎn)業(yè)，不論是芯片架構(gòu)、關(guān)鍵IP、高速接口等芯片硬件設(shè)計(jì)，還是FPGA設(shè)計(jì)工具和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，都不太可能通過一次次“彎道超車”實(shí)現(xiàn)。只有不斷在正確的賽道上積累和加速，才能像Achronix那樣，有朝一日在主流舞臺和那些主要玩家們同場競技。
第二，擁抱新技術(shù)、新方向。正如前文提到的，在Achronix的新一代FPGA上采用了片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)處理器等諸多新技術(shù)，這些技術(shù)只有在賽靈思和英特爾的最高端FPGA中才有使用。這正說明了FPGA公司擁抱和使用最新技術(shù)的重要性。FPGA的發(fā)展一直遵循摩爾定律，而這些新科技和新方向，也使得FPGA將摩爾定律不斷延續(xù)。
第三，離開“舒適區(qū)”，敢于對決的勇氣。和Lattice、Microsemi等其他FPGA公司不同，Achronix選擇在人工智能、高速網(wǎng)絡(luò)處理等領(lǐng)域和傳統(tǒng)FPGA巨頭硬剛，其自信和勇氣就著實(shí)令人佩服。對于我國的FPGA公司，也應(yīng)該努力走出自己的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，向不斷蓬勃涌現(xiàn)的新興FPGA應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)起沖擊。
結(jié)語
不積跬步，無以至千里。在人心浮躁、技術(shù)虛無，人人造芯、但不知芯為何物的今天，老石認(rèn)為，文中這家公司十幾年的堅(jiān)守和奮斗應(yīng)該能夠給予我們一些啟示。