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Achronix對國產FPGA發展的啟示

2021-03-26
來源:EETOP
關鍵詞: Achronix FPGA

  在全球范圍內,FPGA行業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。隨著時間的積累,這兩家公司逐漸構建起一道由上萬件核心技術專利組成的“護城河”,而這條護城河也成功阻止了很多FPGA公司進一步發展的腳步。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用領域。

  然而,在2019年5月底,一家名為Achronix的美國公司發布了一款名為Speedster7t的FPGA產品,主打高速網絡傳輸、機器學習加速等領域。這些應用場景既屬于FPGA的傳統優勢項目,也包含了近年來正在蓬勃興起的FPGA全新應用。很明顯,Achronix公司就是要借這款產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,以及它的發展歷程對于我們國產FPGA行業有哪些啟示。

  Achronix是誰

  Achronix公司成立于2004年,總部位于美國硅谷的Santa Clara,在印度設有研發中心,在深圳也設有分支機構。雖然距成立至今已有15年時間,Achronix目前仍然是一家私人公司,外界猜測其總融資金額大概在1.8億美元到2億美元之間。

  值得注意的是,Achronix已于2017年第一季度實現盈利,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,并成為當時世界上發展速度最快的半導體公司之一。

  Achronix近年的飛速發展一方面得益于FPGA技術本身的不斷廣泛應用,另一方面得益于它自身的技術進步。有意思的是,作為無晶圓廠芯片公司,Achronix曾由英特爾代工,發布了世界上首個基于FinFET技術的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FPGA。

  除了“傳統”FPGA芯片產品之外,Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA(eFPGA)的主要IP提供商,見下圖。在之前的文章曾經介紹過,包括Facebook在內的一些大型互聯網企業據信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潛在客戶。

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 ?。▓D片來自Achronix)

  與傳統FPGA相比,eFPGA的最主要特點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降低系統功耗,如下圖所示。關于eFPGA的更多內容,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。

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  (圖片來自Achronix)

  

  Speedster7t:對標Agilex和ACAP的全新FPGA

  今年五月底新發布的Speedster7t系列FPGA,應該算是Achronix的技術集大成者,這也給了Achronix叫板賽靈思和英特爾的信心和勇氣。事實上,這款FPGA的確有不少讓人眼前一亮的技術特點值得我們關注。

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  (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。

  在芯片架構方面,Achronix的這款FPGA最大的特點之一就是采用了遍布芯片的2D片上網絡技術,這與賽靈思的ACAP再一次不謀而合。

  片上網絡技術(NoC)是當前為了應對帶寬瓶頸而逐漸興起的重要技術,在老石之前的文章中曾多次提及。特別是在高速網絡應用中,如5G、數據中心網絡等領域,已經開始需要FPGA線速處理高達400Gbps的以太網流量。如果使用傳統的設計方法,需要1024位寬的數據總線,并運行在724MHz的時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據,包括片上和片外的存儲器、以及特定的硬件加速模塊,如機器學習加速器等等。為了在片上進行大量數據傳輸和搬運,必須采用全新的片上網絡NoC技術。

  在Speedster7t上采用了橫向和縱向的2D片上網絡,并使用256位寬的AXI總線實現,運行在高達2GHz的頻率下,從而提供單路512Gbps、總共20Tbps的片上網絡帶寬。

  除了滿足帶寬要求,通過使用片上網絡還能將片上邏輯單元劃分成相對粗粒度的區域,從而極大降低布局布線算法的復雜度,也能提高時序收斂的速度。老石相信,片上網絡技術將會是未來FPGA架構發展的一個重要方向。

  此外,Speedster7t上集成了多個機器學習處理器(Machine Learning Processor – MLP),它可以支持不同定點數及浮點數的運算操作,如下圖所示。此外,這款FPGA還能在片上最多集成300Mb的內存單元,以滿足人工智能和機器學習相關應用的實現。雖然片上內存的容量距離賽靈思UltraScale+系列高達500Mb的片上內存還有一定差距,但已經和英特爾Stratix10系列FPGA的片上內存容量差不多。

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  (圖片來自Achronix)

  除了片上網絡和機器學習處理器之外,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的發展歷程對國產FPGA的重要啟示

  Achronix歷時15年的發展,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FPGA公司借鑒的啟示和經驗。

  首先,技術的發展沒有捷徑,不要過分迷信“彎道超車”。Achronix的技術積累并非一蹴而就,而是需要長達十幾年的時間不斷沉淀和創新。特別是對于專利壁壘極高的FPGA產業,不論是芯片架構、關鍵IP、高速接口等芯片硬件設計,還是FPGA設計工具和生態系統建設,都不太可能通過一次次“彎道超車”實現。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、新方向。正如前文提到的,在Achronix的新一代FPGA上采用了片上網絡技術、機器學習處理器等諸多新技術,這些技術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的重要性。FPGA的發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。

  第三,離開“舒適區”,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、高速網絡處理等領域和傳統FPGA巨頭硬剛,其自信和勇氣就著實令人佩服。對于我國的FPGA公司,也應該努力走出自己的傳統業務領域,向不斷蓬勃涌現的新興FPGA應用領域發起沖擊。

  結語

  不積跬步,無以至千里。在人心浮躁、技術虛無,人人造芯、但不知芯為何物的今天,老石認為,文中這家公司十幾年的堅守和奮斗應該能夠給予我們一些啟示。

  


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