關(guān)于Efinix與FPGA的異同分析和應(yīng)用

上世紀(jì)中葉開(kāi)始，半導(dǎo)體行業(yè)隨著摩爾定律呈指數(shù)狀發(fā)展。隨著摩爾定律，每過(guò)18個(gè)月芯片集成度翻一番，導(dǎo)致芯片平均成本快速下降；同時(shí)，隨著特征尺寸變小，芯片上晶體管的性能也隨著摩爾定律快速上升。

當(dāng)然，芯片性能隨著工藝制程高速發(fā)展也帶來(lái)了一些副作用，就是工程師過(guò)多依賴新制程帶來(lái)性能提升。處理器芯片的性能大體上可以表達(dá)為：

性能=架構(gòu)x物理實(shí)現(xiàn)

這里的架構(gòu)就是處理器的邏輯電路設(shè)計(jì)，而物理實(shí)現(xiàn)則包括了工藝制程、標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)性能、后端布局布線等等。在摩爾定律最紅火的年頭，一代工藝制程的差距可以秒殺架構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)；換句話說(shuō)，即使你的架構(gòu)設(shè)計(jì)再領(lǐng)先，一旦在工藝制程上落后了，那么你的產(chǎn)品就很可能要失敗。即使像Intel這樣聚集了全球最頂尖架構(gòu)設(shè)計(jì)精華的公司，也要走tick-tock路線，即一代產(chǎn)品不改架構(gòu)，搶先用新的工藝制程實(shí)現(xiàn)，然后第二代產(chǎn)品保持工藝制程不變，而再去做架構(gòu)上的優(yōu)化。

然而，隨著摩爾定律越來(lái)越接近工藝極限，現(xiàn)在的架構(gòu)設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。在特征尺寸越來(lái)越小時(shí)，量子效應(yīng)越來(lái)越顯著，因此新制程的研發(fā)成本越來(lái)越高，幾乎到了難以負(fù)擔(dān)的地步，因此新制程的研發(fā)速度越來(lái)越慢，TSMC、Intel、三星等半導(dǎo)體巨頭新的工藝制程時(shí)間表充滿了不確定的因素，因此芯片的性能進(jìn)步越來(lái)越多地取決于如何優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)，而非如何搶占新工藝。

隨著摩爾定律接近終結(jié)，芯片行業(yè)的增長(zhǎng)率下降，而使用新工藝制程的成本則快速上升

在這種情況下，異構(gòu)計(jì)算就得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在摩爾定律飛速發(fā)展的時(shí)代，大家往往傾向于使用同一種通用芯片（如CPU），因?yàn)闉橥ㄓ眯酒_(kāi)發(fā)軟件比較方便；如果CPU暫時(shí)不夠強(qiáng)大無(wú)法流暢運(yùn)行你的代碼也不要緊，只要等個(gè)半年一年使用新工藝制程的CPU出現(xiàn)通常就能完美運(yùn)行你的高計(jì)算量的代碼了。然而，到了今天，大家發(fā)現(xiàn)通用處理器的性能上升越來(lái)越慢，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)等邊緣計(jì)算應(yīng)用的興起，使用CPU消耗的功耗太大，因此大家覺(jué)得還是得為了應(yīng)用開(kāi)發(fā)專用的芯片，用高度優(yōu)化的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。

FPGA成為市場(chǎng)的寵兒

在異構(gòu)計(jì)算中，F(xiàn)PGA是重要的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。FPGA是一種特殊的芯片，它通過(guò)片上存儲(chǔ)器和查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯。因此，如果你改寫(xiě)片上存儲(chǔ)器和查找表的內(nèi)容，就可以重配置FPGA的邏輯，從而讓FPGA實(shí)現(xiàn)不同的功能。FPGA因?yàn)橛羞@樣高度的靈活性，在過(guò)去常常用于芯片正式流片前的功能驗(yàn)證。當(dāng)然，F(xiàn)PGA也有其缺點(diǎn)，就是之前所說(shuō)的物理實(shí)現(xiàn)。FPGA為了滿足可充配置的特性，可以粗略地認(rèn)為犧牲了物理實(shí)現(xiàn)，因此同樣的設(shè)計(jì)在專用芯片ASIC上的時(shí)鐘頻率往往是FPGA 的5-10倍。但是在今天的異構(gòu)計(jì)算中，F(xiàn)PGA由于架構(gòu)可以根據(jù)應(yīng)用隨時(shí)定制，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高效的架構(gòu)，因此彌補(bǔ)其在物理實(shí)現(xiàn)上的劣勢(shì)。因此，F(xiàn)PGA近幾年在移動(dòng)端（無(wú)人機(jī)）和云端數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景都獲得了不小的市場(chǎng)份額。

FPGA在Amazon AWS中的應(yīng)用成為了AWS的新亮點(diǎn)

雖說(shuō)FPGA能讓設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)用快速調(diào)整最優(yōu)架構(gòu)，但是其物理實(shí)現(xiàn)上的劣勢(shì)還是成為了FPGA進(jìn)一步推廣的瓶頸。那么我們能否進(jìn)一步改善FPGA的物理實(shí)現(xiàn)呢？

我們首先看一下FPGA的物理實(shí)現(xiàn)瓶頸在哪里？傳統(tǒng)FPGA的組成包括邏輯資源（CLB）和布線資源兩類。邏輯實(shí)現(xiàn)基于查找表，雖然可能比標(biāo)準(zhǔn)邏輯要慢一些，但是可以通過(guò)插入pipeline等方法來(lái)提升。

而布線資源對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)則是更加寶貴。對(duì)于ASIC，走線非常隨意，在邏輯單元上方走線也沒(méi)關(guān)系，但是傳統(tǒng)FPGA的走線則必須走固定的routing channel，并且經(jīng)過(guò)switch box。這樣的限制大大降低了FPGA中設(shè)計(jì)的最高工作頻率?？梢哉f(shuō)，布線資源是目前FPGA性能的最大瓶頸。在這種情況下，業(yè)界又在尋找新的解決辦法。

Efinix橫空出世，革FPGA的命？

日前，賽靈思、三星電子和香港X科技基金向初創(chuàng)公司Efinix投資的新聞引起了業(yè)界的轟動(dòng)。后者作為一家“革命性”的FPGA公司，給沉悶已久的FPGA市場(chǎng)帶來(lái)了一些新的動(dòng)力。

據(jù)IEEE報(bào)道，Efinix 公司總部位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉市，他們計(jì)劃用一種全新的 FPGA技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)芯片， Efinix 公司把此技術(shù)稱為Quantum FPGA。

他們提出了一種新的理念：那就是在拋棄具有專用功能的每個(gè)電路板格(這些電路板格被稱為可交換邏輯和路由處理器)的基礎(chǔ)上，每一個(gè)電路板格都可以根據(jù)特定目的被編程。顛覆了過(guò)去FPGA的基本架構(gòu)。也就是說(shuō)，Efinix的新FPGA最大的特點(diǎn)就是在布線資源方面做出了突破。

傳統(tǒng)的FPGA中，用于布線的單元和用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能的單元是分開(kāi)的，這也造成了布線的困難并限制了性能。在Efinix提出的Quantum FPGA技術(shù)中，一個(gè)單元既可以是邏輯單元，又可以是布線單元，可以根據(jù)需要靈活配置。這樣一來(lái)，Efinix的Quantum FPGA的布線可以更加靈活，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的速度和更低的功耗。據(jù)介紹，芯片尺寸只有現(xiàn)在的四分之一，而且能耗只有傳統(tǒng)芯片的一半，結(jié)構(gòu)也沒(méi)有過(guò)去那么復(fù)雜了。

過(guò)去，訓(xùn)練人工智能和深度學(xué)習(xí)需要依賴中央計(jì)算機(jī)和服務(wù)器產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在，依靠這一系列優(yōu)化功能組合，可以推動(dòng)人工智能和深度學(xué)習(xí)更加輕松。

從產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用上看，Efinix的Quantum FPGA首先可以替代傳統(tǒng)FPGA，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證和異構(gòu)計(jì)算等場(chǎng)合得到應(yīng)用。在異構(gòu)計(jì)算領(lǐng)域，由于Quantum FPGA在性能上比傳統(tǒng)FPGA有不少優(yōu)勢(shì)，因此可望能實(shí)現(xiàn)基于FPGA的異構(gòu)計(jì)算方案的進(jìn)一步普及。

Efinix的目標(biāo)市場(chǎng)包括少于邏輯單元數(shù)量少于15K的IoT 和移動(dòng)應(yīng)用的超低功耗應(yīng)用；邏輯單元數(shù)量在15K 到 150K 之間的傳統(tǒng)應(yīng)用（工業(yè)、醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、廣播和視頻）和新興市場(chǎng)領(lǐng)域（無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、邊緣計(jì)算和各種智能系統(tǒng)）；以及邏輯單元數(shù)量從150K 到 500K及以上的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。Efinix CEO 張少逸在IEEE Spectrum的訪談中表示，Efinix的FPGA方案可望能把 FPGA市場(chǎng)規(guī)模再拓展一倍，由現(xiàn)在的50億美金市場(chǎng)規(guī)模變?yōu)?00億美金。 因此說(shuō)這難保對(duì)FPGA市場(chǎng)造成一定的沖擊。

除了傳統(tǒng)FPGA的市場(chǎng)之外，Efinix在最近很火熱的嵌入式FPGA市場(chǎng)也有布局。嵌入式FPGA是指把FPGA電路IP集成到SoC上面，這樣SoC也可以借助FPGA的可配置性實(shí)現(xiàn)更靈活的工作方式。在嵌入式FPGA領(lǐng)域，F(xiàn)lex Logix可謂是當(dāng)仁不讓的明星，目前已經(jīng)獲得了一千二百萬(wàn)美金的投資。而Efinix也在計(jì)劃把自己的Quantum FPGA以IP的形式集成到合作廠商的SoC中去，作為在嵌入式FPGA市場(chǎng)的布局。

除此之外，大家最關(guān)心的恐怕是Efinix的出現(xiàn)是否會(huì)對(duì)目前市場(chǎng)上Xilinx和Intel在FPGA領(lǐng)域的壟斷地位造成威脅。答案是——Efinix應(yīng)該不會(huì)對(duì)Xilinx造成任何威脅，因?yàn)閄ilinx是Efinix的早期投資者，目前Efinix和Xilinx在許多方面正在緊密合作中。Efinix CEO 張少逸在IEEE Spectrum的訪談中明確表示Efinix不會(huì)挑戰(zhàn)Xilinx，而是想和Xilinx一起把FPGA市場(chǎng)的蛋糕一起做大；而Xilinx高級(jí)副總裁Salil Raje則在同一個(gè)訪談中大贊Efinix，并且說(shuō)期待未來(lái)和Efinix更緊密的合作。因此，Efinix可以看作是Xilinx陣營(yíng)的新興技術(shù)公司，一旦其技術(shù)得到市場(chǎng)認(rèn)可，很可能會(huì)被Xilinx高價(jià)收購(gòu)。當(dāng)然，對(duì)于Intel來(lái)說(shuō)，Efinix就是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手了。不過(guò)，Efinix的產(chǎn)品預(yù)計(jì)在2017年年底推出樣品，而在2018年下半年正式發(fā)布多款產(chǎn)品，因此Intel暫時(shí)還可以先不用太緊張，等Efinix正式產(chǎn)品量產(chǎn)后再做打算。

Efinix的投資方中位列第一的就是Xilinx，預(yù)計(jì)Efinix將與Xilinx之間有非常多的合作

結(jié)語(yǔ)

隨著摩爾定律遇到瓶頸，基于FPGA的異構(gòu)計(jì)算得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)FPGA雖然能實(shí)現(xiàn)非常高效的專用架構(gòu)，但是其布線資源的局限性成為了性能的瓶頸。Efinix的Quantum FPGA架構(gòu)通過(guò)一種既可以用作邏輯單元又可以用作布線單元的通用單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)了FPGA布線瓶頸的突破，可望讓FPGA性能大幅提高，同時(shí)在異構(gòu)計(jì)算中獲得更大市場(chǎng)份額。