在半導體的歷史上，FPGA在設計實現(xiàn)和電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色,。這就是為什么我們在《Fabless:半導體工業(yè)的轉型》一書中加入了FPGA的歷史,，并在2019年版中增加了關于Achronix歷史的新章節(jié)。
在最近的一篇博客文章“FPGA In the 2020 - the New Old Thing”中,，Achronix表示,，F(xiàn)PGA已經(jīng)有35年的歷史,，未來的云計算人工智能時代代表了一個新的FPGA增長機會,。事實上，在我們?nèi)ツ甑牡谝淮尉W(wǎng)絡研討會中,，Achronix ML網(wǎng)絡研討會打破了分析記錄,。
FPGA是一種半定制電路，主要應用于專用集成電路，在航空航天/國防,、消費電子,、電子通訊等領域有著不可替代的位置。在FPGA的下游應用中,，通信占據(jù)最大的細分市場,，約可達60%左右。其中,， FPGA芯片對于5G發(fā)展有著不可或缺的重要性,。
這段時間熱搜包月的貿(mào)易戰(zhàn)，將5G產(chǎn)業(yè)推上了風口浪尖,。但是,，我國民用FPGA供應依賴于美國Xilinx、Altera,、Lattice,、Microsemi4大芯片巨頭，民用領域FPGA國產(chǎn)化率僅4%（MRFR數(shù)據(jù)）,。5G將帶來FPGA新需求,，基站建設近在咫尺。目前,，5G宏基站中都在使用FPGA,。
無論是在邊緣(eFPGA)還是在云(FPGA)中，可編程技術都將在剛剛開始的5G數(shù)據(jù)爆炸式增長中扮演關鍵角色,。我們從2015年第四季度開始在SemiWiki上追蹤人工智能,，并發(fā)表了182個博客，獲得了近100萬的瀏覽量,，這是相當不錯的成績,。簡單地說，人工智能無處不在,，大大小小的公司都在以最快的速度消耗人工智能設計支持信息,。
回到Achronix的博客文章，它充滿了有趣的數(shù)據(jù)和鏈接,，如果你正在研究FPGA在5G時代的使用,，這些數(shù)據(jù)和鏈接將非常有用。我也花了很多時間研究人工智能,，并與一些大公司和SemiWiki合作完成了幾個人工智能項目,。
FPGA是當今半導體領域的老古董。盡管FPGA已經(jīng)有35年的歷史,，但未來10年代表著自上世紀90年代初以來從未出現(xiàn)過的增長機遇,。為什么現(xiàn)在會這樣?
全球數(shù)據(jù)量持續(xù)激增，IDC預測，到2025年,，全球每年將產(chǎn)生超過175zb的數(shù)據(jù),。有了這么多的數(shù)據(jù)，就有了一個巨大的機會來分析它,，從而獲得能夠改變和影響世界的見解,。人工智能將在這一數(shù)據(jù)挖掘操作中扮演重要角色，企業(yè)正在增加在機器學習和數(shù)據(jù)分析方面擁有深厚技能的員工,，以應對未來的挑戰(zhàn)……
此外,，由于5G通道數(shù)大幅增加，單站FPGA用量相應增加,。中國5G商用進度全球領先,，且我國每代移動通信技術大規(guī)模資本開支一般集中于商用前幾年，因此,，當前FPGA較4G時代將占據(jù)更重要地位,。由于5G應用頻段較高，5G基站數(shù)量或將達到4G的1.5倍,。另外,，隨著2022年后“5G下半場”毫米波技術成熟，小基站的數(shù)量規(guī)模有望達到千萬級,。5G需滿足的業(yè)務場景將遠超1G~4G,，5G設備將面對更復雜的物理協(xié)議、算法,，對邏輯控制,、接口速率要求提高。
因此,，專家估計5G市場,，單基站側FPGA市場價值將達到4G的數(shù)倍。FPGA門檻高,，國產(chǎn)化率低,，未來將成國產(chǎn)化替代攻堅領域中國市場FPGA需求量全球最大（30%以上），但我國的FPGA市場國產(chǎn)化率非常低,。目前在民用領域,，國產(chǎn) FPGA 在中國市場占有率不到 5%，未來國產(chǎn)FPGA有望蓬勃發(fā)展,。
在FPGA中處理AI/ML工作負載的新塊浮點運算單元
塊浮點(BFP)是浮點和定點算法的混合,，其中數(shù)據(jù)塊被分配一個公共指數(shù)。我們描述了一種新的算術單元,，它為常見的矩陣算術運算執(zhí)行塊浮點運算并創(chuàng)建浮點結果,。BFP算術單元支持多種不同精度和范圍的數(shù)據(jù)格式。與傳統(tǒng)的浮點運算單元相比,，BFP通過犧牲一些精度來節(jié)省大量的功率和面積,。這個新的運算單元已經(jīng)在來自Achronix的新的7nm FPGA家族中實現(xiàn)。在一項演示中,，人工智能和機器學習的工作負載進行了基準測試,，與半精度(FP16)操作相比，BFP的性能和耗電都得到了提升,。
FPGA能否稱雄,？
作為FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）大廠，賽靈思方面認為,，摩爾定律已經(jīng)接近走向終結,，未來不能單純依靠芯片設計的周期性更新達到所需，這導致未來需要更多依靠芯片架構創(chuàng)新突圍,。賽靈思通信部門市場總監(jiān)Gilles Garcia表示,，目前面臨的這些挑戰(zhàn)共同之處在于，要求有更高的性能,、更多帶寬和更強計算能力,，5G時代對賽靈思意味著更大的發(fā)展機會。
不同于此前通信時期,，5G意味著更加碎片化的處理節(jié)點,，端-邊-管-云構成了龐大的計算網(wǎng)絡。Garcia進一步指出,，5G將對FPGA廠商帶來三方面主要挑戰(zhàn)：大規(guī)模天線陣列如何管理無線電方面的復雜性,，如何管理好前傳的帶寬需求，更大量的數(shù)據(jù)回傳需求如何滿足,。
具體來說,，在前傳方面，由于滿足傳統(tǒng)4G無線電裝置使用的同時,，新增5G協(xié)議裝置的處理,，這意味著要能支持不同協(xié)議的融合接入；城域間的多個接口,，每個接口速率最高達到100Gbps,，意味著核心干線傳輸接口至少需要具備100-400Gbps的傳輸能力。同時,，終端的數(shù)據(jù)回程吞吐量將增加10倍,，加上龐大的用戶群體，數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)指數(shù)級上升趨勢,。
從網(wǎng)絡特征來看,，5G對更高帶寬和更低時延的要求也進一步增加,。Gilles Garcia介紹道，賽靈思采用的16納米制程技術,，可節(jié)省60%功耗,；而RF SoC技術，能做到在單芯片的SoC（系統(tǒng)級芯片）上把數(shù)字和模擬結合在一起,，把封裝尺寸降低70%,。
下一個競爭點在哪里？
5G時代一個重要變化是,，電信運營商在數(shù)據(jù)中心進行邊緣計算,，其中涉及網(wǎng)絡虛擬化功能。在核心網(wǎng)部分,，廠商對帶寬的要求不斷放大,，因此賽靈思方面認為，數(shù)據(jù)中心將是一個重要市場,。包括賽靈思在內(nèi)的大廠商已在斥巨資做大量的研發(fā)提供人工智能的能力,、機器學習的能力，還有異構計算的解決方案,。而在FPGA市場,，此前英特爾曾收購賽靈思的競爭對手Altera，英特爾一大發(fā)力點也在于數(shù)據(jù)中心,。此前,，英特爾收購eASIC，意在用eASIC把FPGA過渡到ASIC（專用集成電路）層面,。而業(yè)界也有觀點提出,，ASIC是否會接棒FPGA成為下一代熱捧的處理方案。
總結
較之從前,，物聯(lián)時代網(wǎng)絡存在明顯的差異,，邊緣計算業(yè)務部署需求呈現(xiàn)多樣化特征，只有對客戶需求把握準確的公司才能逐步做大做強,。在人工智能學習推理和圖像智能需求領域,，GPU 大行其道推動英偉達等公司迎來高速增長，而 5G 邊緣計算時代,，F(xiàn)PGA 將成為新的產(chǎn)業(yè)新重心,。相比其他異構處理器，F(xiàn)PGA 更適配邊緣計算場景,，其可針對每一種具體應用,，根據(jù)其算法結構進行深度定制，達到較高的計算效率和能效,；同時其與 GPU相比,，F(xiàn)PGA 架構能大幅優(yōu)化帶寬提升計算效率,；并且在低時延與穩(wěn)定性上具備天然的優(yōu)勢。由此可看,，5G 邊緣場景的多樣化將驅動算力產(chǎn)業(yè)進入 FPGA 時代,。