在全球范圍內(nèi),，FPGA行業(yè)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(fā)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(fā)布了一款名為Speedster7t的FPGA產(chǎn)品，主打高速網(wǎng)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(tǒng)優(yōu)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(chǎn)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(fā)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(fā)展歷程對于我們國產(chǎn)FPGA行業(yè)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(fā)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(xiàn)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(fā)展速度最快的半導體公司之一。
Achronix近年的飛速發(fā)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(fā)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(tǒng)”FPGA芯片產(chǎn)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(jīng)介紹過，包括Facebook在內(nèi)的一些大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)據(jù)信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潛在客戶,。
?。▓D片來自Achronix）
與傳統(tǒng)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(tǒng)功耗,，如下圖所示。關于eFPGA的更多內(nèi)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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Speedster7t：對標Agilex和ACAP的全新FPGA
今年五月底新發(fā)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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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(wǎng)絡技術,，這與賽靈思的ACAP再一次不謀而合。
片上網(wǎng)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(wǎng)絡應用中，如5G,、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡等領域,，已經(jīng)開始需要FPGA線速處理高達400Gbps的以太網(wǎng)流量。如果使用傳統(tǒng)的設計方法,，需要1024位寬的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸和搬運，必須采用全新的片上網(wǎng)絡NoC技術,。
在Speedster7t上采用了橫向和縱向的2D片上網(wǎng)絡,，并使用256位寬的AXI總線實現(xiàn)，運行在高達2GHz的頻率下,，從而提供單路512Gbps,、總共20Tbps的片上網(wǎng)絡帶寬。
除了滿足帶寬要求,，通過使用片上網(wǎng)絡還能將片上邏輯單元劃分成相對粗粒度的區(qū)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(wǎng)絡技術將會是未來FPGA架構發(fā)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(shù)及浮點數(shù)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(nèi)存單元，以滿足人工智能和機器學習相關應用的實現(xiàn),。雖然片上內(nèi)存的容量距離賽靈思UltraScale+系列高達500Mb的片上內(nèi)存還有一定差距,，但已經(jīng)和英特爾Stratix10系列FPGA的片上內(nèi)存容量差不多。
?。▓D片來自Achronix）
除了片上網(wǎng)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(fā)展歷程對國產(chǎn)FPGA的重要啟示
Achronix歷時15年的發(fā)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(chǎn)FPGA公司借鑒的啟示和經(jīng)驗。
首先,，技術的發(fā)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(chuàng)新,。特別是對于專利壁壘極高的FPGA產(chǎn)業(yè),，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(tài)系統(tǒng)建設，都不太可能通過一次次“彎道超車”實現(xiàn),。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(wǎng)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(fā)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(xù)。
第三,，離開“舒適區(qū)”,，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(wǎng)絡處理等領域和傳統(tǒng)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(tǒng)業(yè)務領域,，向不斷蓬勃涌現(xiàn)的新興FPGA應用領域發(fā)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,。