你不一定知道的eFPGA

FPGA技术江湖 2022-11-26 08:54

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FPGA的旧时代似乎已经走向终结。

此前，华尔街日报爆出AMD正在就收购赛灵思（Xilinx）进行谈判。如果该交易达成，交易额可能会超过300亿美元（约合人民币2014.44亿元）。

2022年2月14日，AMD 完成了对 Xilinx 的收购，由于过去的时间里 AMD 的股价上涨，最终成本接近 490 亿美元，而不是最初在 2020 年 10 月宣布该交易时预计的 350 亿美元。

这已经不是FPGA领域的首次大收购事件，早在七年前，英特尔就收购了Altera。

赛灵思与Altera曾是FPGA领域的双巨头，自从赛灵思发明了FPGA，至今已有40年了，在这个期间，无数大公司想杀入这个领域，每过十年，就有一批公司退出或倒下（被收购），直到最后形成了FPGA的双巨头格局。

而如今，该局面正在被打破。离开经济上的考量，不难发现，是FPGA市场内部正在发生转变。

两大巨头转型背后

FPGA是一种很特殊的芯片，是由电路进行编程的芯片，可以通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能。传统FPGA芯片面向的是低产量系统或原型系统，它们要么一直是低产量，要么在增大产量时会转而使用 ASIC。

随着大数据、物联网、AI的发展对于算力的需求增大，开发先进 ASIC 的成本模式在 finFET 领域遇到了麻烦，在后续节点上开发芯片的难度更大了、成本也更高了，而十亿单位级别的芯片终端市场也已被大型移动设备公司主宰。这些新的市场，却为可编程逻辑带来了很好的经济效益。

FPGA的半定制特性，比较适合专门用途，尤其适合AI深度学习及神经网络运算，拿来跟CPU及GPU相比，FPGA运算特定应用的效率比CPU高得多，而可编程这一点来说，弹性比GPU更大；换言之，在AI领域，FPGA是相当有优势的。

由于许多AI应用要处理分析庞大数据文件，平行运算能力需求高，GPU跟FPGA这方面相对较强，所以许多AI服务器的硬件设计，会以CPU搭配GPU，或者CPU搭配FPGA来设计，FPGA被当作AI运算加速器。

英特尔的意图也许正是在此，收购Altera后，利用Altera技术，进行异构整合，采用CPU+FPGA的产品组合，捍卫了其在数据中心的优势，而Altera也可以借此实现自身的转型。对于赛灵思而言，同样改变了以往的策略，在新的管理团队加入公司后，其不再强调“ FPGA”品牌，并宣布该公司为“数据中心优先”。目前赛灵思和Altera都已经推出了相关产品，并且获得了用户的一致认可。

曾经两巨头战略的更改让我们看到，现在的FPGA似乎已经被彻底边缘化，尤其在赛灵思的产品销售中，纯FPGA芯片的销售量逐渐缩小，而CPU+FPGA水涨船高。

两巨头积极转型的背后，是旧FPGA时代的终结，也是新FPGA时代的开端。在这种情况下，另一大主力军，eFPGA 成功进入了人们的视野。

eFPGA的崛起

eFPGA（嵌入式FPGA）是指将一个或多个FPGA以IP的形式嵌入ASIC，ASSP或SoC等芯片中。换句话说，eFPGA是一种数字可重构结构，由可编程互连中的可编程逻辑组成，通常表现为矩形阵列，数据输入和输出位于边缘周围。eFPGA通常具有数百或数千个输入和输出，可连接到总线、数据路径、控制路径、GPIO、PHY或任何需要的器件。

eFPGA作为一种存在许久的设计理念，在近年逐渐重新获得人们的关注，这涉及到技术和市场环境的变化问题。

其中包括摩尔定律失效，目前类似协议和封装的标准一直在快速变化。过去的应对方法是每隔几年就重新设计芯片，以满足市场需求，但这样的流程让成本也逐渐增加。另外，数据中心对芯片的可编程化需求日益提升。eFPGA的出现很好的解决了这些问题。

其次是更多MCU厂商求变。在以微控制器（MCU）为代表的低端市场，eFPGA已经成功吸引了大家的注意力。这是因为厂商都希望通过提高芯片出货量来增加利润，而使用FPGA可以为不同客户量身定做提供某一种MCU的多种版本从而提高出货量。

当然，诚如上文所言，也有机器学习、大数据等应用的快速发展的原因。在数据中心领域，FPGA是一个不能忽视的重要角色。尤其是现在数据的大爆发，对数据中心的需求激增，进而提高了对服务器降温和功耗的需求，eFPGA提供了一种高带宽、低延迟、低功耗和低成本的产品选择。

更为主要的是，eFPGA本身的优点，它们可以使用任意工艺尺寸制造，可以为任意应用调控尺寸大小。对于可编程逻辑而言，经济模式发生了变化。

FPGA 芯片往往有非常高的功耗、非常高的性能、前沿的工艺技术和非常高的成本。与传统FPGA相比，eFPGA的功率密度要低得多，或者ASIC与SoC上的其他IP，因此其动态功耗也相对较低。不仅如此，与FPGA相比，eFPGA不需要实现可编程的I/O部分，因为与eFPGA相互通信的ASIC IP在设计时就已固定。当去掉了可编程I/O部分之后，对于同等逻辑密度的FPGA而言，eFPGA的芯片面积会极大缩减。在嵌入式市场，很多客户对成本非常敏感。

诸如此类，优势繁多。但要说的是，真正让eFPGA火起来走进大众视野的，还得提到一家公司--Achronix。

上文也提到，这么多年来，FPGA行业的主要市场份额常年被赛灵思和Altera（被英特尔收购）两家公司牢牢掌握。随着时间的积累，这两家公司逐渐构建起一道由上万件核心技术专利组成的“护城河”，而这条护城河也成功阻止了很多FPGA公司进一步发展的脚步。一些存活下来的公司，比如Lattice和Microsemi，往往只能靠剑走偏锋，专攻低功耗、航空航天等特殊的应用领域。

Achronix作为一家后来者，选择在人工智能、高速网络处理等领域和传统FPGA巨头硬刚，并取得了一定的成绩，是十分难能可贵的。

Achronix成立于2004年，是一个专注于高性能FPGA产品的公司。该公司刚成立的时候是作为美国常春藤名校康奈尔大学的附属公司而存在的，而公司的产品也是来源于康奈尔大学的授权。

此前，Achronix一直销售高端FPGA，该公司决定在几年后提供嵌入式FPGA（eFPGA IP），为提供可行的解决方案做出必要的投资。该公司曾公开表示，与独立FPGA芯片相比，其eFPGA产品Speedcore eFPGA提供了更高的加速能力，可实现10倍的低延迟和10倍的高带宽。

得益于此，其2017年的营收较2016年增长了700%，并在2018年IP收入超过5000万美元。充分说明了eFPGA具有巨大的发展空间。

eFPGA领域的玩家们

到今天，eFPGA的概念已经获得了业界的广泛认可，而该领域的公司也在慢慢变多。

FlexLogix

FlexLogix是eFPGA的先驱，提供用于制造柔性芯片和加速神经网络推理的解决方案。其eFPGA平台使芯片能够灵活地处理不断变化的协议，标准，算法和客户需求，并实现可重配置的加速器，与处理器相比，可将关键工作负载的速度提高30至100倍。

QuickLogic

QuickLogic是老牌FPGA厂商，致力于开发低功耗，多核半导体平台以及用于人工智能（“ AI”），语音和传感器处理的知识产权（“ IP”）。之后也加入了eFPGA的战场，带来了ArcticPro系列IP。其主要市场是超低功耗SoC市场，例如蓝牙、物联网等等，它的eFPGA将给这些超低功耗SoC带来可配置性，从而实现更好的功耗与成本。另外，QuickLogic的eFPGA支持以性价比高著称的SMIC，也是其一大亮点。

Menta

Menta是欧洲硕果仅存的eFPGA供应商。是欧洲唯一经过验证的，可将其IP嵌入到客户SoC和ASIC中的可编程逻辑提供商。这种可编程逻辑采用嵌入式FPGA IP的形式。为客户提供了将其SoC的一小部分，让其实现低功耗FPGA的可能性，可以由他们或客户在现场进行编程。

NanoXplore

NanoXplore是一家总部位于法国公司。该公司是为最先进的FPGA内核设计大规模可编程逻辑阵列的先驱。NanoXplore提供先进的经过硅验证的eFPGA IP，在领先的代工厂中支持高达28nm的成熟技术。NanoXplore还为电子设备开发了一种高度创新的诊断技术，称为Silicon Rating。

ADICSYS

ADICSYS是一家无晶圆厂半导体公司，为ASIC和SOC设计和许可软FPGA IP。这些可编程内核可以轻松，完全地集成到用户的RTL设计流程中。ADICSYS建立在定制FPGA和eFPGA项目以及领先的半导体产品领域十多年的经验之上。与其他IP一样，将FPGA功能包含在ASIC中的独特机会带来了所需的灵活性，可以在不重新设计芯片的情况下修改功能，或者允许器件满足广泛的应用需求。在这两种情况下，都可以更好地控制NRE和TTM。

Efinix

Efinix是可编程产品平台和技术的创新者。该公司的Quantum可编程技术可实现ASIC，ASSP和FPGA领域的高级可编程芯片产品。凭借Quantum的Power-Performance-Area优势，Efinix产品可满足大批量，低功耗和小尺寸产品的需求。Efinix的联合开发活动侧重于基础架构，数据中心和先进的硅工艺，进一步扩大了该公司在可编程行业中的领导地位。

在半导体创业公司稀少的时代，这些eFPGA 创业公司就已经迅猛发展。Flex Logix、Menta等公司获得了不少投资，Achronix 和 QuickLogic 等其它一些公司也根据内部的增长预期而大力投资 eFPGA。

总结

随着机器学习和人工智能的发展，市场对芯片算力的要求与日俱增，厂商在架构和工艺上提升性能的瓶颈逐渐出现，eFPGA技术势必将在市场上大放异彩。这些eFPGA厂商的兴起也为国产FPGA厂商提供了可借鉴的启示和经验。

首先，技术发展没有捷径，Achronix能够在2017年一炮而红也是因为长时间不断沉淀和创新。对于专利壁垒极高的FPGA产业来说，不论是芯片架构、关键IP、高速接口等芯片硬件设计，还是FPGA设计工具和生态系统建设，都不太可能通过一次次“弯道超车”实现。只有不断在正确的赛道上积累和加速，才能像Achronix那样，有朝一日在主流舞台和那些主要玩家们同场竞技。

其次是找好角度实现突破，在传统FPGA厂商转向CPU+FPG模式时，eFPGA成为了背后的突围者。对于我国的FPGA公司，也应该努力走出自己的传统业务领域，向不断蓬勃涌现的新兴FPGA应用领域发起冲击。

不积跬步，无以至千里。在不断积累的同时，寻求突破与创新也许是国产厂商的制胜法则。

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