“万能芯片”FPGA发展的三个纪元

随着5G时代的大踏步到来,云计算、人工智能、工业4.0等技术再次掀起了 “新浪潮”,也为芯片业的发展带来了巨大利好,在通信、医疗、工控和安防等领域占有一席之地的FPGA,也凭借着性能、成本、灵活性、扩展性、开发周期短、长期维护等优势进一步开疆扩土。

一、FPGA是什么?

FPGA(Field Programmable Gate Array)——现场可编程门阵列,是指一种通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。顾名思义,其内部的硬件资源都是一些呈阵列排列的、功能可配置的基本逻辑单元,以及连接方式可配置的硬件连线。简单来说就是一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。

图为ALTERA MAX7000s系列FPGA芯片开发板

纵观数字集成电路的发展历史,经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在,主要有3类电子器件:存储器、处理器和逻辑器件。

存储器保存随机信息(电子数据表或数据库的内容);处理器执行软件指令,以便完成各种任务(运行数据处理程序或各类视频游戏);而逻辑器件可以提供特殊功能(器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能)。逻辑器件分成两类:1)固定的或定制的(ASIC);2)可编程的或可变的(FPGA属于其中之一)。

如果说ASIC是一个雕塑,在成品完成后,就很难再对其做其他的改变。那么FPGA就像橡皮泥,成品出来后如果想改变主意,可以重新再捏,这就是为什么被称为可编程。

最初FPGA只是用于胶合逻辑(Glue Logic),用来连接各个专用芯片,只是整个电子系统里的一个小配角。而随着集成电路工艺进步,FPGA的规模不断的扩大并集成了越来越多的专用电路。随着SoC-FPGA的发布,在单个FPGA芯片中实现一个完整电子系统已经成为一种非常现实的方案。由此。FPGA也真正地从配角变成了主角。

当今,半导体市场格局已成三足鼎立之势,FPGA,ASIC和ASSP三分天下。据Semico统计,FPGA市场正在逐年增长,而复合年均增长率高达38.4%,至2023年将具有55亿-60亿美元的规模。市场统计数据表明,FPGA已经逐步侵蚀ASIC和ASSP的传统市场,并处于快速增长阶段。

Achronix产品规划及业务拓展副总裁Manoj Roge 表示,“FPGA能给大家带来诸多兴奋点,其原因有多个。第一点就是数据中心中的关键工作负载正在以快速的、全新的节奏在改变,诸如机器学习等新的功能正在加入其中。每个人都在期盼着指数级的功耗降低和性价比提升,这是因为你不能仅仅靠部署越来越多的CPU来扩展数据中心的规模,我认为现在的业界共识是你需要异构的加速器。FPGA是一个选项,为了让你的数据中心在未来不过时,通过部署FPGA技术可带来多种优点。”

“许多人将FPGA描述为‘动态的ASIC’,而我们更愿意称其为‘动态虚拟ASIC’,这是因为它们通常表现为带有可编程虚拟指令集的、一定数量的CPU,这些也是FPGA的关键功能。无论何时你有需要经常改动的工作负载,同时它们有要求低延迟和并行的计算,那么FPGA就是你应该考虑的计算平台。”

二、FPGA的三个纪元

近40年的FPGA的发展史,就是一部电子行业设计工具与设计方法不断变迁的历史。几乎每10年过去以后,FPGA都会以全新的面目出现在工程师们的面前。我们也将以Xilinx和Altera两位巨头的成长为主线一窥FPGA发展的三个几元。

FPGA 1.0(上世纪80年代到90年代中期)

从上世纪80年代到90年代中期的FPGA 1.0阶段主要是胶合逻辑单元,这个时代已有多种不同结构的可编程逻辑(PLD)被工业界采用,包括PAL(Programmable Array Logic可编程逻辑阵列)、EPLD( Erasable Programmable Logic Device 可擦除可编辑逻辑器件)以及在此基础上发展起来的CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)等。,而客户当时常常把它们用作连接在一起的逻辑单元,或者一些可编程的I/O器件,大致说来其市场总需求量在10-20亿美元之间。

此时的可编程逻辑器件能实现编译码、地址转换、状态机等简单的逻辑功能,从而实现多个通用或专用芯片之间的“胶合”。当时虽然可编程逻辑器件被视为小规模/中规模集成胶合逻辑的替代选择并被逐步接受,但对于大多数人来说仍然是陌生和具有风险的。

这个时期集成电路工艺也有了的突破,可编程逻辑器件的规模可以不断扩大,也催生了CPLD和FPGA两大流派。CPLD依靠复杂的逻辑块来实现高密度的组合逻辑,而FPGA则依靠大量而小型化的查找表(LUT look up table)配合触发器来实现组合和时序逻辑功能。前者更受喜欢高逻辑密度的工程师青睐,因为更多的逻辑可以带来更丰富的功能,后者则仰仗触发器数量的优势博得设计人员的欢心。

但随着器件复杂程度的增加,人们越来越难以在很低的抽象层级上完成过于复杂的设计。硬件描述语言(HDL)的出现给了设计者和使用者更灵活的选择,可以不再关注底层的细节。这种方法得到的电路直观上更适合在有大量寄存器的FPGA体系结构中实现,FPGA也顺理成章的成为了更多人的选择。

Xilinx是全球FPGA的主要供应商之一,也是该领域的开拓者之一,其于 1984 年发明的世界首款 FPGA颠覆了半导体世界,创立了Fabless(无晶圆厂)的半导体模式。那个时候还不叫 FPGA,直到 1988 年 Actel 才让这个词流行起来。接下来的 30 年里,这种名为 FPGA 的器件,在容量上提升了一万多倍,速度提升了一百倍,每单位功能的成本和能耗降低了一万多倍。

首款 FPGA,即Xilinx XC2064,只包含 64 个逻辑模块,每个模块含有两个 3 输入查找表 (LUT) 和一个寄存器。按照现在的计算,该器件有 64 个逻辑单元不足 1000 个逻辑门。尽管容量很小,XC2064 晶片的尺寸却非常大,比当时的微处理器还要大。1991年,他们推出了XC4000系列产品,这是全球第一款被广泛使用的FPGA,这系列产品是Xilinx 九十年代的主要收入来源。

Xilinx的成功激励了Altera产品的推出,Altera是世界上“可编程芯片系统”(SOPC)解决方案倡导者。1992年,Altera推出了其第一款FPGA——FLEX®8000,其后几年Altera又分别推出了带有集成锁相环(PLL)的FPGA——FLEX 10k®,以及带有嵌入式模块RAM的FPGA——FLEX 10k。FLEX 10k的推出表明了Altera的思维已经非常清晰,大规模的fpga是将来的王道!而且,高速的嵌入式块RAM是一个开创新的思维。当时,Xilinx凭借分布式RAM以及内置三态的结构,有横扫千军之势。但是Flex10K的出现,有效提升了Altera的FPGA产品的竞争力。在RAM需求应用不断上升的市场中。Altera迎来了市场的春天。

此时的Lattice虽然是全球第二大FPGA厂,但也成为了其下坡路的开始。由于设计规模的迅速攀升,规模已经是决定一个产品的关键因素,但是Lattice一直没有代表作,市场份额已经逐步开始被Xilinx,Altera蚕食。

FPGA2.0(上世纪90年代中期到2017年左右)

从上世纪90年代中期到大约2017年为FPGA2.0阶段,我们将其称为连接浪潮期,这个阶段中很多FPGA被用于为网络和存储实现接口,同时随着FPGA的密度和性能不断提升,它们被用于一些更复杂的功能,而不仅仅是胶合逻辑。而这些应用将FPGA的市场需求总量扩展到大约50亿美元。

在FPGA2.0阶段各个厂商也在积极推动自己的产品。Xilinx一直坚持着其细粒度、岛状布局的FPGA架构。1998年,Xilinx又推出了Virtex FPGA系列,把FPGA架构向前推进了一大步,还为公司带来了颇为可观的收入。

Xilinx VIRTEX系列芯片

到了2011年,他们又推出了Zynq-7000系列,2013年推出了可全编程的UltraScale系列。2014年12月,Xilinx的20nm芯片实现量产,2015年Xilinx紧接着推出新的16nm FPGA和SoC,并采用新型存储器UltraRAM,因此继28nm和20nm之后,继续在行业中保持领先。正是这一步步的产品推进,奠定了他们今天的基础。尤其是在高密度FPGA方面,更是Xilinx的核心竞争力所在。期间对Philips CoolRunner、Sarance、AutoESL和Modesat Communications等企业的收购,也让Xilinx的实力更进一步。

从 1996 年开始, Altera 推出了具有内部可编程 PLL 的 FLEX 器件。这是一个重大的转变,它意味着FPGA开始集成一些常用的但不属于传统意义上逻辑器件的硬件电路模块。从这时起,FPGA就已经不再是单纯的可编程逻辑器件而开始向一种系统级通用器件转变。Altera在2001年推出的Stratix中集成了功能更加完备的嵌入式数字信号处理(DSP)模块,这一产品的推出让当时FPGA市场的竞争规则又发生了改变,Altera用TRAM的形式和Xilinx的分布式RAM和blockRAM开始竞争。 2007年左右,Altera开始发售业界的首款65nm低成本FPGA——Cyclone III系列。Cyclone III FPGA比竞争FPGA的功耗低75%,含有5K至120K逻辑单元(LE),288个数字信号处理(DSP)乘法器,存储器达到4Mbits。Cyclone III系列比前一代产品每逻辑单元成本降低20%,使设计人员能够更多地在成本敏感的应用中使用FPGA。

根据英特尔的预测,他们计划到2023年以接近直线增长率来提升FPGA的业务。对此我们还是抱有谨慎的态度。但FPGA业务随着时间的推移或多或少地在增长(比15年前增长约2.5倍)。英特尔还预计,FPGA的营收在2014年到2023年之间将会再翻一倍。

这个纪元中,前两名的Xilinx和Altera在竞争中互相成就,进一步拓展了市场份额,其他小众公司也在并购和强强联合中继续成长,2010年底4.3亿美元溢价30%收购Actel让Microsemi在安全领域有了更多的建树,Lattice也在寻求更合适的金主。

随着云计算的兴起,FPGA也进一步拓展了数据中心的市场。2014年,微软在计算机架构领域的顶会ISCA上发表了一篇名为“A Reconfigurable Fabric for Accelerating Large-Scale Datacenter Services”的论文,详细介绍了微软Catapult项目团队如何在其数据中心里的1632台服务器中部署了英特尔StraTIx V FPGA,并用FPGA对必应(Bing)搜索引擎的文件排名运算进行了硬件加速,得到了高达95%的吞吐量提升。这篇文章标志着FPGA第一次在互联网/软件公司的大型数据中心里得到实质性应用,同时也告诉人们FPGA已不再仅仅是硬件公司的专属产品,而是可以有效的应用于像微软这样的互联网公司,并有机会部署在谷歌、亚马逊、阿里等其他互联网巨头的服务器中。微软也是第一个在公有云基础设施中部署FPGA的主要云服务提供商。

2015年12月,Intel以167亿美元收购了Altera,这次收购不仅是FPGA发展的里程碑,也是英特尔对FPGA巨大的潜力的承认。FPGA作为未来强大的计算加速器,不但影响主要企业的决策和市场趋势,而且加速企业中的工作负载,促进超大规模数据中心的内部搜索,以及提高高性能计算模拟的地位。

FPGA 3.0(2017以后)

从大约2017年开始,我们进入了FPGA 3.0这个新纪元,其核心内容是数据加速。现在的FPGA已经成为计算引擎,在微软Azure和亚马逊Web Services等应用的数据中心得到了大批量的部署。现在FPGA市场总需求量的保守估算为100亿美元,同时也可能是这个数字的2-3倍。

全球FPGA市场规模持续攀升,根据研究机构MRFR的预测,全球FPGA市场规模2019年达到69亿美元,2025年有望达到125亿美元,未来市场增速稳中有升。亚太区占比达到42%,成为FPGA主要市场,中国FPGA市场规模约100亿人民币,未来随着中国5G部署及AI技术发展,国内FPGA规模有望进一步扩大。

全球FPGA市场规模

现今的FPGA也形成了非常广泛的行业覆盖,从医疗设备到消费品电子、汽车电子、机器人、工业控制,还有航天、航空、电子、通信、导弹、雷达、高端波束形成系统等国防领域,乃至数据挖掘、机器学习、神经网络等应用领域都有FPGA的身影。Roge表示:“我们相信FPGA将充当从云到边缘到IoT部署的可编程加速器。”

三、新纪元下的场景需求爆发

数据中心建设

数据中心逻辑芯片百亿美元级别的市场,则成为FPGA争抢的大蛋糕,低延迟+高吞吐也奠定FPGA核心优势。数据中心领域逻辑芯片市场规模2017年达25亿美元,2022年有望达到80-100亿美元。各大厂商也制定了“数据中心优先”战略,围绕着计算、网络、存储突破应用场景。

数据中心中逻辑芯片市场规模

计算成为最主要的场景,FPGA也可以在硬件加速上大展拳脚,相比GPU,FPGA在数据中心的核心优势在于低延迟及高吞吐。微软Catapult项目在数据中心使用FPGA代替CPU方案后,处理Bing的自定义算法时快出40倍,加速效果显著。数据中心对芯片性能有较高要求,硬件即服务模式下,未来更多数据中心采纳FPGA方案将提高FPGA在数据中心芯片中的价值占比。

对于网络,以前10G以下的速率都是用CPU来处理,而到25G到100G,因为CPU不仅要处理网络数据,还要处理应用业务,来不及处理网络负载。因此,基于FPGA的智能网卡成为了香饽饽。在存储方面,随着移动互联和和未来5G产生的数据量跃升,数据最后的存储与分析如果还是依赖服务器CPU处理,处理速度和功耗都将显著恶化。因此业界都在转用专用CPU或FPGA来卸载这些负载。

近日Xilinx也推出了业界首款“一体化SmartNIC平台”Alveo U25,针对云服务商、电信公司和私有云数据中心运营商而设计,号称是业界真正在单卡上实现了网络、存储和计算加速功能的完美融合,可以进一步通过智能网卡提供更高效率和更低成本。同时还推出了业界首款基于FPGA的OpenCompute加速器模块。

5G基站和白盒化

同时基站建设也将带动FPGA的增长。OroGroup发布了一份《移动无线接入网五年预测报告》,该报告预测,接下来的5年时间里,运营商对于宏基站、小基站的需求将会是“迅猛式”,同时了解到,这份报告预测,基站出货量将超过2000个,5G新空口大规模天线阵列(MassiveMIMO)收发器的出货量将超过5000万个。

移动通信网络2G-3G-4G-5G,其标准的核心部分实际上主要体现在物理层和逻辑层,而这些功能主要在管道(基站、基站控制、承载、传输等产品)中实现,这些标准变化快,各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点,甚至在标准还未冻结之前就推出原型样机甚至小批量,而这只有FPGA能做到。近期5G规模部署带来的UPF白盒化讨论,也给FPGA应用提供了参考。

基站的量非常大,基站虽然和手机的量没法比,但远多于核心网数量,据不完全统计,全球存量基站有数千万(5G部署后,可能会轻松破亿),每个基站里面有数块到10数块板子(根据配置不同而不同),除了电源和风扇板子没有FPGA芯片外,几乎每块板子都有FPGA芯片,有的还不止一颗。另外,基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分,这部分内容每年都在升级,而且也比较适合FPGA来实现。

AI

CPU的架构在AI场景下显得无所适从,从而带动了以图像处理为优势的GPU产业蓬勃发展。FPGA在性能和自定义逻辑双向优势加持下也将成为AI计算芯片的一个好选择。人工智能算法所需要的复杂并行电路的设计思路适合用FPGA实现。

FPGA计算芯片布满“逻辑单元阵列”,内部包括可配置逻辑模块,输入输出模块和内部连线三个部分,相互之间既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的独立基本逻辑单元。注意FPGA与传统冯诺伊曼架构的最大不同之处在于内存的访问。FPGA在本质上是用硬件来实现软件的算法,因此在实现复杂算法方面有一些难度。

FPGA相对于传统处理器有明显的能耗优势,主要有两个原因。首先,在FPGA中没有取指令与指令译码操作,在英特尔的传统处理器里面,由于使用的是CISC架构,仅仅译码就占整个芯片能耗的50%。

其次,FPGA的主频比传统处理器低很多,通常传统处理器的主频在1GHz到3GHz之间,而FPGA的主频一般在500MHz以下。如此大的频率差使得FPGA消耗的能耗远低于传统处理器。英特尔收购Altera,昭示着FPGA领域的变革,未来也将很快看到FPGA与个人应用和数据中心应用的整合。FPGA在功耗和性能上相对同等级的传统处理器,有较大的优势。传统处理器+FPGA在人工智能深度学习领域,将会是未来的一个重要发展方向。

近日,新型基础设施成为了中国未来经济建设的重点任务,“新基建”再次成为了大众关注的焦点,围绕着5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能和工业互联网七大领域的科技段基础设施建设也将成为未来经济增长的新动力。这些“新基建”的领域也和FPGA的主要爆发场景相契合。

四、中国的FPGA力量

在研究机构的报告中国外三巨头占据90%全球市场,国产厂商暂时落后。FPGA市场呈现双寡头垄断格局,Xilinx和Altera分别占据全球市场56%和31%,在中国FPGA市场中,占比也高达52%和28%,由于技术、资金、人才上的壁垒及FPGA量产带来的规模经济,行业领导者地位较为稳定。

国产厂商目前在中国市场占比约4%,未来随着国产厂商技术突破,FPGA领域国产替代或将是百亿级的机会,替代空间广阔。紫光集团曾想通过购买Lattice快速发展,受到美国外国投资委员会(CFIUS)的审查和特朗普政府的反对后收购以失败告终。

从上世纪90年代开始,国产FPGA已经经历了从反向设计走向开始正向设计的时代。从2017年开始,国产FPGA则迈入了发展的第三阶段——完备的正向设计时代。而据不完全统计显示,国内目前有以高云半导体、京微齐力、上海安路、紫光同创、西安智多晶、AGM、上海复旦微、58所、772所、深圳国微、成都华微等为代表的数家国产FPGA玩家。

近年来国产FPGA也进步神速,继紫光同创开发出中国唯一一款自处产权千万门级高性能FPGAPGT180H以来,上海复旦微电子于2018年5月在第二届中国高校科技成果交易会上发布了新一代自主知识产权亿门级FPGA产品,新产品,填补了国内超大规模亿门级FPGA的空白。

不过从现状看来,虽然国产FPGA厂商一直有加大投入,但随着Xilinx和Intel先后推出的大杀器之后,国内厂商与FPGA头部两家公司的差距其实正在进一步拉大。国外厂商已经在进一步加大系统整合和软件部署能力,但我们国产FPGA还主要集中在解决基础EDA软件工具和丰富产品线这两方面的工作。从FPGA技术方面, Xilinx已经跨进了7nm时代,但现在国内的厂商主要还停留在40nm产品层面,部分厂商在推进28nm的产品和量产环节。

从市场拓展来看,国产FPGA正在拉近与Lattice等厂商的距离,国产FPGA也正在逐步吞噬Lattice和一部分小容量的Xilinx/Intel的市场和客户。替代10K/20K逻辑处理和CPLD市场,在LED显示以及消费屏显等方面,国内客户也开始考虑国内FPGA厂商的芯片与方案。

总而言之,国产FPGA发展任重而道远,但相信未来随着更多的技术突破,国产研究进程将更进一步。

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参考链接:
1、http://group.chinaaet.com/4000264812/4100034805
2、http://www.eepw.com.cn/article/126978.htm
3、https://www.ednchina.com/news/201912020842.html
4、https://www.fpga-china.com/4718.html
5、https://zhuanlan.zhihu.com/p/41529938
6、http://www.elecfans.com/pld/714095.html
7、https://www.nextplatform.com/2020/01/20/the-three-eras-of-programmable-logic/
8、http://www.elecfans.com/pld/714095.html


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大脸肥飞猫 发表于20-11-09
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