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游戏规则要改变了,Achronix发布全球首款嵌入SoC的EFPGA

I have a FPGA,I have a SOC …..UMM….eFPGA!

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随着数据中心、人工智能、机器学习、云计算等计算对高性能需求的逐渐提升,FPGA与SOC的融合速度正在加快。预计到2020年,大概会有三分之一的服务器会将FPGA用到里面。微软正在利用FPGA技术将其数据中心的性能提升了30倍,这也成为Intel收购Altera的一个重要原因。此外,Google也发布了一款TPU芯片,专供机器学习和人工智能,这款芯片的架构就首次定义了如何用FPGA来增加芯片性能。数据中心和企业中的计算与通信基础设施在指数级数据增长速率、不断变化的安全和软件虚拟化要求面前,很难再保持同步。传统的多核CPU和SoC需要可编程硬件加速器来预处理和卸载数据,从而提升其计算性能。FPGA是最佳的硬件加速器解决方案,因为随着算法的不断变化,加速器需要不断用新的功能来实现更新。对于低至中容量应用,独立的FPGA芯片是一种方便且实际的解决方案,比如最近iphone7的SOC中就外挂了一颗Lattice的FPGA;然而,对于高容量应用,嵌入式FPGA成为最佳解决方案。
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如果从FPGA的市场发展趋势来看,第一个阶段是80~90年代,那个时候FPGA主要应用在TTL上,总体市场大概从0到5亿美金。第二阶段是90年代到2015年,这个是互联网的发展年代。很多路由器交换机都需要用到FPGA,因为工艺不断的增长,FPGA变得越来越大,性能越来越高,成本也越来越低。随着互联网的增长,FPGA的市场从5亿美金增长到50亿美金。第三个阶段是2016年后,这个市场将会主要作为硬件加速和CPU的协处理器。市场规模也逐渐与SOC的市场开始重合。
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在FPGA的应用范围来看:第一个是服务器的数据中心加速。这个数据中心的加速有几个不同的应用,比如加密、解密、加速、人工智能、DPI深度包检查、机器学习等方面,这些通用点需要很大的做数据的处理能力。要做数据处理,FPGA很适合做这些处理。另外两个应用,一个是软件去定义网络,来做网络加速。另外是下一代5G通信,因为有很大的带宽,需要FPGA来做加速。

“我们觉得嵌入式FPGA可以起到很大的作用,市场会远超过50亿美金。” Achronix CEO Robert Blake先生表示,现在的CPU都是从多核方向发展,可以同时处理几个不同的功能。但是这个多核不是成比例的增长,越多核处理能力的增长比例是下降的。采用嵌入式FPGA可以做平行的硬件加速,可以帮助CPU处理并行应用,提升10倍的速度。

对于未来的应用趋势,ROBERT BLAKE先生表示,首先加速的需求也会多种多样,从上面可以发展出不同的业务。另外一个很重要的应用是5G通信,在天线的信号处理方面,如“上变频、下变频、预失真”等功能都要用到FPGA。“CPU的强项在于同时做很多事情,FPGA的强项在于做某一项专业的事情。”
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Achronix CEO Robert Blake先生。20年前, Robert Blake先生就作为Altera的FAE来过深圳,当时的华为就已经成为了Altera的客户,并将FPGA应用到通信基站中。20年后,ROBERT BLAKE先生第二次来到深圳,除了感叹深圳这座移民城市变化之大外,同样也是因为看到了FPGA在高性能数据运算领域的庞大市场前景。

Achronix Semiconductor是一家私有的、采用无晶圆厂模式的半导体公司,总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市。公司开发了全球最先进的FPGA技术,该技术是其多个产品系列的基础,包括Speedster™22i系列独立FPGA以及最近发布的Speedcore™ eFPGA IP产品。Achronix的所有FPGA产品均由其ACE设计工具提供支持,该工具还集成了对Synopsys Synplify Pro工具的支持。公司在美国、欧洲和中国都设有销售办公室和代表处,在印度班加罗尔设有一间研发和设计办公室。

10月11日,Achronix推出可集成至客户系统级芯片(SoC)中的Speedcore™ 嵌入式FPGA(embedded FPGA ,简称为eFPGA)知识产权(IP)产品,并即刻开始向客户供货。这与Xilinx和 Altera 提出的SoC FPGA貌似是完全相反的方向。SoC FPGA是将SOC嵌入到FPGA内,而eFPGA则是将FPGA作为IP嵌入到SOC内,帮助SOC来做加速和数据处理。

表面上看,似乎两者区别不大。那么,到底什么是eFPGA?跟独立的FPGA相比它有什么好处呢?
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Achronix Semiconductor公司(简称Achronix)的 CEO Robert Blake向《国际电子商情》记者揭示了答案。“为什么客户会有兴趣用嵌入式FPGA?”ROBERT BLAKE先生认为,第一个原因就是因为性能,相比独立的FPGA,eFPGA最大的好处是可以增加带宽,减小延迟。同时功耗和成本也大大减少。相比FPGA器件,“互联网带宽增加了10倍,互联延迟减小至1/10,功耗降低了50%,成本则降低了90%。”
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Speedcore是一个高端的FPGA的核,这是Achronix的FPGA核Speedcore与同类竞品的比较。将其中一个Speedcore嵌入式FPGA跟竞争对手的核比较,在逻辑单元差不多的情况下。对比发现,独立的FPGA受制于封装,因为管脚有限,EFPGA的带宽是它的10倍。此外,外挂FPGA要经过收发器协议的转移,所以这个延误相距很大。
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EFPGA的好处有哪些?传统的高端FPGA主要是两部分,FPGA核以及周边逻辑器件。如果FPGA可以放在SOC里面,外围的周边器件和管脚可以省去客户 可以省略可编程的IO,节省很多空间。PCB的面积也可以更小。PCB的层级也可以减少,很多跟FPGA连接的元器件,比如Power等IP全部可以省略。
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这些器件的节省带来了功耗的减少,特别是IO的功耗可以减少很多。
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“如果你买外挂的独立FPGA,FPGA的成本是很高的。”ROBERT BLAKE先生表示,在成本方面,可以很明显看到eFPGA电路板的成本减少。除了DIE的成本减少外,制造成本也会减少。
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“虽然今天才公布这个产品,但我们在3年前就已经开始开发了,而且目前已经有客户在使用了。”ROBERT BLAKE先生表示,Achronix的一共有三大产品线。其中第一个产品线是独立的FPGA器件,采用的内核是SPEEDSTER22i。第二个产品线是今年4月发布的硬件加速卡,主要应用在高性能计算中,帮助加速。第三个产品线就是这次发布的eFPGA了。ROBERT BLAKE先生同时也透露了下一代采用SPEEDSTER核的独立FPGA,将会在2017年下半年供货。
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其实从ASIC的历史发展来看,本身也是有越来越多的功能IP加入进来,但是FPGA一直没有作为一个IP加入进来。主要有两个原因:第一是市场上没有人愿意提供技术,第二个是技术太贵。
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此外,这样做的门槛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:第一个需要FPGA的设计能力和经验,还有是软件工具,真正有客户在应用这个产品;第二个是要懂得怎么去执行和连接,就算IP给SOC的客户,你也不懂怎么连接在一起。另外是品质怎么保证?生产中怎么处理干扰,ESD干扰怎么做,有什么长期的要求?我们都有经验和文档如何跟这些客户进行配合。另外一个例子是测试流程,客户要求我们测试时间越短越好,因为涉及到成本。这些都是很现实的问题。
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一个好的软件开发工具对于嵌入式FPGA非常重要,在过去的很多年中,Achronix一直不断的增加很多功能,如软件综合、布线布局、验证等。
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Achronix会根据客户的需求提供汇编工具和软件,这个软件可以让客户方便的进行开发。
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除此之外,eFPGA也会根据客户需求来进行定制化开发。

“我们定义的是模块化,不同的资源、逻辑、存储器的IP都是模块化,客户需要的话我们可以很快的拼在一起,就像拼乐高一样。”ROBERT BLAKE先生表示,如果客户有不同的需求要不同的资源,可以根据需求拼出新的核。比如5G的客户需要更多的DSP处理,如果要做高端性能计算,可以增加更多的存储器。所以客户需要什么样的资源,就可以做更多的嵌入式的定义。除了IP可以定制化,工艺也可以定制。“比如客户需求,我们需要在TSMC的16nm工艺来做。如果客户说需要新的工艺,比如Intel的22nm,我们大概需要4~6个月来进行转移。”ROBERT BLAKE先生表示,他们的合作的厂商其实有很完备的SOC制作经验,他们的ASIC跟我们的EFPGA结合应该怎么做,会有很详细的步骤介绍。ROBERT BLAKE先生表示,现在已经可以提供基于台积电(TSMC)的16纳米FinFET Plus(16FF+)工艺的Speedcore IP产品,并且正在开发基于台积电的7纳米工艺的IP。
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Achronix的商业模式其实很简单,跟ARM类似。主要也是IP授权收license费,另外也根据他们的出货量收入知识产权费用。此外,采用Achronix的软件工具进行开发和编程,会有一个工具的升级更新维护费。“虽然刚发布不久,我们预计speedcore的受益是1200万美金,估计明年EFPGA带来的受益会超过4000万美金。”ROBERT BLAKE先生表示,Achronix也是目前唯一能提供独立的FPGA和EFPGA的公司。

“多年以来,不同的公司都一直在谈论eFPGA产品,但Achronix的Speedcore是首款向客户出货的eFPGA IP产品,它是游戏规则的改变者,”Achronix Semiconductor董事长兼首席执行官Robert Blake表示。“Achronix曾是第一家提供带有嵌入式系统级别IP的高密度FPGA的供应商。我们正在使用相同的、经过验证的技术向客户提供我们的eFPGA产品,这些客户都希望将ASIC设计的各种高效能和eFPGA可编程硬件加速器的灵活性结合在同一款芯片中。”

“FPGA作为IP集成到SOC芯片中会有很多内在的优势,长期以来,设计人员一直在寻找嵌入式FPGA用于众多不同的高性能应用,”市场研究公司Semico的ASIC与SoC首席分析师Richard Wawrzyniak表示。“Achronix现在已向开发高性能计算产品的客户提供eFPGA IP产品,为其实现从处理器卸载那些高密度计算任务到FPGA IP中,从而带来显著的性能提升。面对庞大且不断增长的高性能计算应用市场,eFPGA产品对于Achronix公司是一个令人激动的机会,也是半导体行业的巨大利好。”

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