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eFPGA 发展历程 高性能运算 服务器
机器学习 降功耗 减延迟
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未来FPGA应用在高性能计算、数据中心、人工智能中将越来越广泛。随着云计算和网络带宽的发展，CPU协处理器将会是FPGA的一个新的增长点。
前不久，美国《连线（Wired）》杂志报道了微软在数据中心中使用FPGA技术做加速。**必应搜索引擎**在使用FPGA技术后，在网页排名上获得了30倍的性能提升。同时在该文章中，Intel执行副总裁Diane Bryant透露，Intel之所以收购Altera，就是因为这个项目。她估计，到2020年有1/3的服务器都会采用FPGA做加速。
另一篇文章指出，谷歌为机器学习设计的TPU专用加速芯片，其上便设计了专用接口使FPGA能够用于数据中心计算。因此，未来FPGA应用在**高性能计算**、**数据中心**、**人工智能**等领域将会越来越广泛。
FPGA正在经历第三个发展阶段：其增长将由CPU协处理器来主导
FPGA目前正在经历第三个发展阶段。**第一个阶段**（80年代到90年代中期），FPGA主要用于实现TTL胶合逻辑。这时，其速度很慢，市场总量从0增长到5亿美元。**第二个阶段**（90年代中期到2015年）是互联网时代，FPGA被用于在路由器/交换机中做ASIC连接，这时，由于工艺进步，FPGA变得更大、更快、更便宜，市场容量也由5亿美元增长到50亿美元。
第三个阶段（从2016年开始），FPGA增长将由CPU协处理器来主导，其主要应用包括：CPU数据中心加速（加解密、压缩解压缩、深度包检查、无架构搜索、机器学习和人工智能），灵活的软件定义网络（SDN），以及无线基础设施（5G）。这个阶段，市场容量将会更大。为此，总部设在美国硅谷的一家FPGA公司——Achronix，开发了全新概念的嵌入式FPGA（embedded FPGA，eFPGA）IP产品。在FPGA发展的第三个阶段，eFPGA将会有很大需求。
图1：Achronix公司总裁兼首席执行官Robert Blake（左），Achronix公司亚太区总经理罗炜亮（右）。
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Achronix公司总裁兼首席执行官RobertBlake介绍说，Achronix成立于美国康奈尔大学（美国东海岸非常有名的常春藤联盟之一）。该公司由一些工程师和教授建立，旨在开发非常高速的FPGA。Achronix随后将总部迁到了美国硅谷，其间也研发了几代FPGA产品。比如，该公司Speedster22i是一款高端FPGA，它是基于Intel 22nm技术制造的。
该公司新的Speedcore eFPGA IP产品是一款高端FPGA内核，可以让客户将其嵌入到他们自己的ASIC SoC产品中做加速。
Speedcore是基于22nmSpeedster22i独立式FPGA产品设计的。它具备FPGA的灵活性，相比FPGA器件，具有如下显著优势：互联带宽增加10倍，互联延迟减小至1/10，功耗降低50%，成本降低90%。
Blake先生透露，Achronix虽然今天才公布这项技术，但在3年前就开始了这项开发，并且也已经有客户在应用这个技术了。该公司有3种产品，除了Speedcore eFPGA和Speedster22i（独立式FPGA产品，已量产3年，明年将发布下一代产品）外，还包括基于Speedster22i的Accelerator-6D PCIe加速卡。
现在CPU正在向多核发展，增加核数可以同时处理多个功能，但是性能并不是随着CPU的核数成比例增长，它的收益会降低。如果将eFPGA嵌入到SoC中来与CPU连接，因为FPGA是并行运算，所以能够帮助CPU并行处理这些业务。由于数据中心处理的业务量越来越大，eFPGA便能在其中帮助卸载许多任务，Blake先生指出。
图2：将eFPGA嵌入到SoC中与CPU连接，能够帮助CPU并行处理多个业务。
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ASIC中已集成各种IP，为何不把FPGA也嵌入到其中？
从ASIC的发展历史看，ASIC最开始只是逻辑资源，但是后来集成了越来越多的功能，如存储器、锁相环、高端收发器、CPU、DSP等等。有这么多的IP集成到ASIC当中，那么为什么嵌入式FPGA IP不能放在其中？Blake先生表示，其原因有二：1，市场上没有人愿意提供这个技术；2，这个技术太贵。
要想在eFPGA领域成功的话，需要具备两个重要因素：1，要有FPGA专长，包括设计FPGA的能力和经验，要有很好的软件去做布线布局，要有许多的客户经验；2，要知道eFPGA IP如何与SoC集成。另外，FPGA设计需要有好的软件。Achronix提供全功能的ACE（Achronix CAD Environment）工具，从综合直到编程到芯片中，并且在不断地优化和增强。
图3：Achronix提供全功能的ACE工具。
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图4：ACE在不断加强。
Achronix在设计Speedster22i独立式FPGA时在美国硅谷和印度班加罗尔有两个团队，分别负责开发FPGA内核和SoC（FPGA周边集成第三方IP）。
图5：Speedster22i独立式FPGA设计，美国硅谷和印度班加罗尔有两个团队，分别负责开发FPGA内核和SoC。
eFPGA到底能实现哪些好处？
对于FPGA来说，FPGA内核和周边逻辑的尺寸各占一半。如果能够将FPGA放在SoC中，其周边逻辑（IO）便可以省去（因为SoC中含有），而且也能节省成本。PCB上省去了FPGA，因此尺寸可以减少，层数可以减少（高端FPGA连接到SoC，在电路板上会需要很多层），可改善信号完整性问题（FPGA和SoC用高速SerDes连接，设计信号完整性需要花很多工夫），FPGA外围元器件（电容、电源调节器等）可以省去。
图6：eFPGA降低芯片尺寸和系统成本。
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外部IO的功耗可以大幅减少。购买独立的FPGA不可能做到逻辑资源恰好满足设计需求，而eFPGA可以实现定制化设计，功耗也能相应减少。
从成本来看，电路板的层数减少，成本相应减少。由于是客户自己制作，FPGA裸片的成本及FPGA厂商的利润（FPGA厂商的利润都不错）也可以省去。
图7：eFPGA降低系统功耗以及成本。
另外，在延迟方面，因为传统的独立式FPGA采用高速SerDes收发器转接时需要经过很多的协议、软件和封装，所以需要很长时间。如果将FPGA嵌入到SoC中，接口将会非常简单，延迟可以大幅减少——2ns（1个时钟周期）或0ns（0个时钟周期，不经过寄存器）。
图8：独立式FPGA对Speedcore eFPGA。
下图为Speedcore eFPGA和竞争对手中端器件（Xilinx XCKU025、Altera GX160）作比较。因为独立式FPGA管脚数受制于封装，eFPGA可以实现10倍接口带宽。eFPGA的延迟也从外挂式FPGA的大约30ns到50ns得到显著降低，因此非常适用于高性能计算、数据中心硬件加速等（带宽、性能、功耗都有很大提升）。
图9：SpeedcoreeFPGA相比竞争对手中端器件可实现10倍接口带宽和更低延迟。
怎样将eFPGA成功应用到客户方？
那么，怎样才能将eFPGA成功应用到客户方？Blake先生表示，虽然这个产品现在才发布，但该公司已经做了3年开发，并已将其用到几个客户那边。
他表示，Achronix会根据客户定制化的需求，如需要多少资源、什么工艺，提供固定IP（包括GDSII、仿真文件等）以及软件（根据IP来定）。
Speedcore eFPGA最开始是采用的台积电16nm FF工艺。如果客户需要新的工艺或Foundry厂商，Achronix需要4到6个月进行转移。但是如果定下了工艺，如果客户需要不同资源，几周就可提供。之所以能够这么快速提供，是因为在定义时，所有资源都采用的是模块化设计（一列一列的），可以很快将它们拼接在一起。比如做5G设计需要有更多DSP，那就多给几列DSP；做高性能计算需要更多存储器，则可以多给一些存储资源。
图10：SpeedcoreeFPGA所有资源都采用模块化设计，可以很方便地拼接。
另外，Achronix使用标准的IP产品商业模式供货（类似于ARM），具体包括：授权许可Speedcore技术；对使用Speedcore IP的器件按出货量收取知识产权使用费；对ACE设计工具进行维护。
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