FPGA，走向何方？

在1985年，一颗在当时被看作“异类”的芯片XC2064 横空出世。
 
回到上世纪80年代初，当时的行业主流观点就是最大限度地利用电路中每一个晶体管。但Ross Freeman（Xilinx的共同创始人）却反其道而行之——设计了一种塞满了晶体管芯片，这些晶体管还组成了松散组织的逻辑块，其连接可以通过软件进行配置和重新配置。
 
Ross Freeman坚信，因为晶体管会越来越便宜，届时将无人在意这类芯片的晶体管数量。后续的发展证明，Ross Freeman的猜测非常正确。这种芯片在后来也广泛使用，它们还有一个广为熟知的名字——FPGA。文章开头提到的XC2064则是全球第一颗商用FPGA。
 

 
时至今日，FPGA已经商用四十年。在当前人工智能汹涌来袭的当下，这类芯片又将走向何方？日前，在与半导体行业观察等交流的时候，AMD产品、软件和解决方案公司副总裁Kirk Saban分享了他的观点。
 
40年FPGA，改变了什么？
 
正如AMD在此前发布的一篇回顾首款商用FPGA 诞生 40 周年的文章中说：“FPGA 对市场的影响是惊人的。FPGA 催生了一个价值超过 100 亿美元的产业。”
 
知名分析机构Yole Group则在一篇报告中预测， 2023 年至 2029 年期间，FPGA收入将以 10% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，届时将达到 154 亿美元。在Yole看来，5G电信和网络设备的发展趋势以及工业应用的增长正支撑着市场。尤其是在网络加速、数据中心和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 应用等高价位领域，对FPGA系统的需求正在强劲增长。
 
AMD在文章中也介绍说，FPGA 已在电子领域无处不在，并深深融入到日常生活中。如今，包括 FPGA、自适应 SoC 和系统模块（ SOM ）在内的自适应计算器件已遍布于从汽车、火车车厢与交通信号灯到机器人、无人机、航天器与卫星到无线网络、医疗和测试设备、智慧工厂、数据中心甚至高频交易系统等各个领域。
 
Kirk Saban更是以边缘AI应用举例说，对于需要进行实时处理，不能够出现时延，同时无办法进行云上的滞后处理的一些任务，都是非常适合FPGA的。“另外，我们可以看到它的自适应性也是很强，不同的尺寸、不同的功耗、不同的价格以及不同性能的需求都可以在FPGA上得到良好地满足和实现，所以你会看到在AI领域的应用，包括一些非常重要的基础设施的AI应用，其实都可以用FPGA来得以实现。”Kirk Saban表示。
 
除了为更多应用开发带来赋能外，FPGA的诞生，甚至还改变了半导体行业的前进轨迹。这是因为FPGA 为工程师提供了随时更改芯片设计的自由和灵活性，以在一天内开发和设计出定制芯片的能力。
 
“通过打造与软件一样灵活的硬件，FPGA 改变了半导体设计的面貌。这使开发人员第一次能在设计芯片时，如果规格或需求在中途、甚至在制造完成后发生变化，他们可以重新定义芯片功能以执行不同的任务。这种灵活性令新芯片设计的开发速度更快，从而缩短了新产品的上市时间，并提供了 ASIC 的替代方案。”AMD在文章中说。
 
文章同时还指出，FPGA的面世，甚至还助力开创了“无晶圆厂”商业模式，彻底改变了整个半导体行业。因为通过消除对定制掩膜加工和相关的非经常性工程成本的需求，FPGA 能助力加速硬件创新，证明企业不需要拥有晶圆代工厂来打造突破性的硬件——他们只需愿景、设计技能与 FPGA。
 
正是因为FPGA拥有如此出众的能力，因此自面世以来，过去几十年里有不少厂商进入了这个赛道。而作为FPGA的发明者，被AMD收购的Xilinx无疑是其中的佼佼者。公司也在一如既往地推动FPGA创新。
 
“过去40年里，从非常简单的LUT查找表和一些简单的逻辑块出发，FPGA已经在相关的能力方面实现了快速的拓展，包括嵌入式的处理能力、高速的收发器、硬IP等都已经在FPGA领域得到了实现，所以现在它基本可以从事很多复杂的需要高性能的相关任务。”Kirk Saban总结说。
 

 
据介绍，过去四十年来，AMD（Xilinx）已向不同细分市场的超过 7000 家客户交付了超过 30 亿颗 FPGA 和自适应 SoC（结合 FPGA 架构与片上系统和其他处理引擎的器件）。公司也已连续 25 年位居可编程逻辑市场份额的领先地位。
 
未来的发展方向
 
在展望未来时，AMD指出，基于 FPGA 的自适应计算正持续推动边缘 AI 应用的突破，这些应用涵盖自动驾驶、机器人和工业自动化、6G 网络、气候变化、药物研发、科学研究以及太空探索等领域。
 
“在边缘智能领域，FPGA有着非常巨大的潜力和机会。”Kirk Saban强调。他指出，FPGA有着非常独特的能力，那就是能让开发者决定在器件上部署多少AI。“在数据中心领域，尤其是需要来进行加速方面的应用，FPGA可以说是非常好的不二之选。”Kirk Saban接着说。
 
在Kirk Saban看来，FPGA还具备其他的一些能力（比如可编程的I/O），可帮助客户实现其需求，还可以根据需求来进行定制化的开发。“当有大量的像传感器、摄像头这类设备的时候，边缘侧的应用是需要AI的，这些场景也都是FPGA技术能发挥作用的领域。”Kirk Saban直言。
 
除此以外，如上所述，在汽车领域、机器人领域，AI的发展都是非常迅速的，这些技术实际上都需要FPGA。据介绍，现代的汽车其实就像轮子上所装的电脑，这就让FPGA能从ADAS到自动驾驶，再到舱内车载的娱乐系统等应用上发挥相应的作用。
 
而要实现这些目标，则需要FPGA在多个维度进行创新。例如在硬件方面，除了坚持一如既往的Chiplet设计外，还需要在先进工艺上投入，满足更高性能的计算需求。在软件方面，就是FPGA供应商需要解决的头等问题。
 
熟悉FPGA的读者应该知道，虽然硬件拥有很多优势，但过去的FPGA 设计可能非常复杂，需要开发者精通 Verilog 或 VHDL 等硬件描述语言 (HDL)。同时，FPGA还需要面对高昂成本以及超高功耗等一系列挑战。有见及此，AMD在过去一直优化FPGA的入门门槛。
 
“在这个领域我们一直都在进行大量的投入，我们一直试图提升对于开发人员的易用性，包括减少他们在编程方面的时间以及整个开发的时间，这些都是我们对于客户所做的一些事情。”Kirk Saban表示。“总体而言，FPGA的客户群体主要还是RTL的开发人员。我们拥有行业内领先的开发工具，Vivado设计套件和针对嵌入式开发人员的Vitis工具，Vivado侧重于硬件开发人员，而我们的Vitis工具套件则适合于软件开发流程。”Kirk Saban说。
 
Kirk Saban告诉半导体行业观察：“对于FPGA来说，一个关键的价值主张就是它能够应用现场可编程的能力，以及可升级的能力。在这方面，FPGA可以说是当仁不让的。FPGA还有另一个独特的亮点，那就是它有所谓的定制化的存储架构，使客户在定制化的存储架构上进行相应的设计，从而满足他们所需要实施的不管什么类型算法的需求。”
 
正是基于这样的见解，AMD提供了非常广泛的FPGA产品，覆盖了最小以及最低功耗（如Spartan UltraScale+ 和Artix UltraScale+）以及针对不同功耗和性能需求的的产品。如果你只是想要非常纯粹的一种可编程逻辑，AMD也有很多的产品可以提供。
 
在FPGA以外，众所周知，AMD还有CPU和GPU产品，这些产品能让公司为客户提供多维度的算力支持。
 
“我们相信，凭借我们强大的产品组合和产品路线图，我们有能力继续保持市场领先地位。”AMD强调。