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深度:独立FPGA赛道已不复存在

2023-04-28

      去年,超微半导体(AMD)顺利完成了对FPGA大厂赛灵思(Xilinx)的巨型收购,该交易价值超过300亿美元,堪称芯片业的“世纪并购”。
  赛灵思是FPGA的发明者,FPGA能够快速开发和成型,相较于其他标准类芯片,FPGA并不需要长达数年的开发周期。
  FPGA(现场可编程门阵列)是可以快速动态重新配置的半导体器件。与其他类型的设备(例如CPU和GPU)相比,它们在各种工作负载中具有某些优势。
  自从赛灵思发明了FPGA,至今已经快四十年了,在这个期间,无数大公司想杀入这个领域,每过十年,就有一批公司退出或倒下(被收购),直到最后形成了FPGA的双巨头格局。
  2015年,英特尔以167亿美元的价格收购了Xilinx的主要竞争对手FPGA制造商Altera,并将该公司整合到其可编程解决方案集团(PSG)中。自此以后,Xilinx成为了FPGA公司的独苗。
  在高端芯片中,最顶端的明珠无疑属于CPU、GPU、FPGA,自从Intel收购Altera,英伟达收购Mellanox、ARM,AMD收购Xilinx之后,高端芯片领域将迅速形成三足鼎立的格局。
  然而FPGA芯片作为一个独立赛道,却已经消失了,或者说,已经被融合进了CPU赛道。
  AMD收购Xilinx的技术动机其实很清晰。
  两家公司有着在深度学习项目上紧密合作的历史,例如在AMD EPYC处理器上的Xilinx深度学习解决方案。在数据中心服务器领域,紧密集成的CPU+FPGA解决方案早已经不是新鲜事物了。
  CPU长于控制,而FPGA则擅长运算。因此,很早就有人想到了在FPGA开发里引入CPU来进行逻辑控制,以弥补FPGA的缺陷。
  Altera最早提出了SOPC(System On a Programmable Chip,可编程片上系统)技术,这种技术使用FPGA的逻辑和资源搭建的一个软核CPU系统,后来Xilinx也进行了跟进。Altera主推的软核是Nios-II,而Xilinx主推的软核则是MicroBlaze。
  由于它们是厂商自己开发的一套封闭开发环境,没有形成行业标准,用起来不是很方便,因此一直没有流行起来。
  随着大数据、物联网、AI的发展对于算力的需求增大,Xilinx意识到不如让FPGA给CPU做外设,直接在FPGA集成ARM的Cortex-A系列处理器。FPGA专门用于计算,除此之外的所有事,都由强大的Cortex-A系列处理器来完成。
  在2010年4月硅谷举行的嵌入式系统大会上,Xilinx发布了ZYNQ 7000系列FPGA,它由双核A9+Xilinx 7系列FPGA组成。请注意,这已不再是单纯的FPGA芯片,而是一个嵌入式FPGA开发板。
  Zynq系列取得了巨大的成功,使之成为了主流算力加速解决方案。在ZYNQ推出后,很多大学研究小组用它完成了卷积神经网络在FPGA平台上的部署,实现了对卷积神经网络的硬件加速,对FPGA加速器的研究一度成为人工智能领域的热门方向。
  这种CPU+FPGA模式也被Altera迅速跟进,它们也推出了双核A9+Altera FPGA的开发平台,比如DE1-SoC等。严格来说,Cortex-A9处理器不是单片机(即微控制器,MCU),而是微处理器(MPU),但是它们都是CPU。深度:独立FPGA赛道已不复存在
  接下来,ARM从FPGA开发商手里接过了SOPC的接力棒,传统的FPGA开发时代也彻底终结了,新时代的FPGA开发主要可分为两种:一种是开发板上本来就有硬核CPU,提供CPU+FPGA的开发环境;另一种是开发板上没有硬核,但我们可以通过使用ARM开源出来的verilog文件,用FPGA的逻辑和资源搭建出一个软核CPU,也能构建起CPU+FPGA的开发环境。
  我们可以看到,现在的FPGA已经被彻底边缘化,在赛灵思的产品销售中,纯FPGA芯片的销售量逐渐缩小,而CPU+FPGA水涨船高。
  其实不只是CPU,现在的异构趋势下,MCU(MPU)、DSP和FPGA都已经有融合的态势。
  ARM的M4系列里多加了一个精简的DSP核,TI的达芬奇系列本身就是ARM+DSP结构,Altera和Xilinx新推出的FPGA都包含了ARM的核在里面。所以三者之间的关系是越来越像三基色的三个圆了。
  最近几年,AMD的数据中心处理器业务也在不断增长,与长期在该领域占据主导地位的英特尔展开越来越激烈的竞争,在服务器算力加速领域,双巨头都不约而同地采用了CPU+FPGA的核心架构,赛灵思的加入将使AMD在与英特尔的竞争中处于更有利的地位,并在快速增长的电信、国防市场中占据更大的份额。
  总的来说,纯FPGA芯片走向边缘已经非常清晰,而FPGA技术本身不会消亡,必将会融合嵌入到新的异构环境中,与CPU、DSP通力合作,成为主流市场的必备兵器。
  自从Altera和Xilinx被收购,国际上实际已不存在独立的FPGA公司,Lattice等小公司只占几个点的市场份额,已不值一提。FPGA作为芯片验证的应用工具,或者其在特种行业的特殊应用,仍将长期存在,但已经不再足以支撑一个赛道。
  未来独立FPGA公司不再有存在的意义,FPGA技术将与CPU/MCU深度融合,成为异构计算的新模式。我们公司的战略也是这么做的,虽然FPGA产品线销售和客户数量每年都在高速成长,但基于我司积累十年的FPGA核心技术,去年我们仍然决定投入巨额研发资源,推出了与STM32兼容的基于RISC-V内核的异构通用MCU,并在其中深度嵌入了FPGA逻辑。
  如果客户的PCB板上既使用了MCU,又有FPGA芯片,那么使用我们的这款定制芯片,可以帮助客户大大降低采购成本,并且节省PCB板的空间和层数,降低功耗,并降低制造成本。
  此外客户的一些IO接口定制需求通过FPGA模拟得以满足,比如profinet、ethercat等。
  MCU国产芯片公司看似很多,但是绝大多数都是在ARM生态中复刻出来,同质化竞争极其严重,MCU里能把自主RISC-V内核做好的已经实属不易,其中还能做好FPGA的更是凤毛麟角了。
  从MCU+FPGA,到MPU+FPGA,最后到CPU+FPGA,Intel/AMD大厂已经给出了清晰的未来方向,异构之路大势所趋。