5G時代對FPGA的影響與挑戰(zhàn)？

在半導(dǎo)體的歷史上，FPGA在設(shè)計實現(xiàn)和電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色。這就是為什么我們在《Fabless：半導(dǎo)體工業(yè)的轉(zhuǎn)型》一書中加入了FPGA的歷史，并在2019年版中增加了關(guān)于Achronix歷史的新章節(jié)。

在最近的一篇博客文章“FPGA In the 2020 - the New Old Thing”中，Achronix表示，F(xiàn)PGA已經(jīng)有35年的歷史，未來的云計算人工智能時代代表了一個新的FPGA增長機會。事實上，在我們?nèi)ツ甑牡谝淮?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)研討會中，Achronix ML網(wǎng)絡(luò)研討會打破了分析記錄。

FPGA是一種半定制電路，主要應(yīng)用于專用集成電路，在航空航天/國防、消費電子、電子通訊等領(lǐng)域有著不可替代的位置。在FPGA的下游應(yīng)用中，通信占據(jù)最大的細分市場，約可達60%左右。其中， FPGA芯片對于5G發(fā)展有著不可或缺的重要性。

這段時間熱搜包月的貿(mào)易戰(zhàn)，將5G產(chǎn)業(yè)推上了風口浪尖。但是，我國民用FPGA供應(yīng)依賴于美國Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi4大芯片巨頭，民用領(lǐng)域FPGA國產(chǎn)化率僅4%（MRFR數(shù)據(jù)）。5G將帶來FPGA新需求，基站建設(shè)近在咫尺。目前，5G宏基站中都在使用FPGA。

無論是在邊緣（eFPGA）還是在云（FPGA）中，可編程技術(shù)都將在剛剛開始的5G數(shù)據(jù)爆炸式增長中扮演關(guān)鍵角色。我們從2015年第四季度開始在SemiWiki上追蹤人工智能，并發(fā)表了182個博客，獲得了近100萬的瀏覽量，這是相當不錯的成績。簡單地說，人工智能無處不在，大大小小的公司都在以最快的速度消耗人工智能設(shè)計支持信息。

回到Achronix的博客文章，它充滿了有趣的數(shù)據(jù)和鏈接，如果你正在研究FPGA在5G時代的使用，這些數(shù)據(jù)和鏈接將非常有用。我也花了很多時間研究人工智能，并與一些大公司和SemiWiki合作完成了幾個人工智能項目。

FPGA是當今半導(dǎo)體領(lǐng)域的老古董。盡管FPGA已經(jīng)有35年的歷史，但未來10年代表著自上世紀90年代初以來從未出現(xiàn)過的增長機遇。為什么現(xiàn)在會這樣？

全球數(shù)據(jù)量持續(xù)激增，IDC預(yù)測，到2025年，全球每年將產(chǎn)生超過175zb的數(shù)據(jù)。有了這么多的數(shù)據(jù)，就有了一個巨大的機會來分析它，從而獲得能夠改變和影響世界的見解。人工智能將在這一數(shù)據(jù)挖掘操作中扮演重要角色，企業(yè)正在增加在機器學習和數(shù)據(jù)分析方面擁有深厚技能的員工，以應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)……

此外，由于5G通道數(shù)大幅增加，單站FPGA用量相應(yīng)增加。中國5G商用進度全球領(lǐng)先，且我國每代移動通信技術(shù)大規(guī)模資本開支一般集中于商用前幾年，因此，當前FPGA較4G時代將占據(jù)更重要地位。由于5G應(yīng)用頻段較高，5G基站數(shù)量或?qū)⑦_到4G的1.5倍。另外，隨著2022年后“5G下半場”毫米波技術(shù)成熟，小基站的數(shù)量規(guī)模有望達到千萬級。5G需滿足的業(yè)務(wù)場景將遠超1G~4G，5G設(shè)備將面對更復(fù)雜的物理協(xié)議、算法，對邏輯控制、接口速率要求提高。

因此，專家估計5G市場，單基站側(cè)FPGA市場價值將達到4G的數(shù)倍。FPGA門檻高，國產(chǎn)化率低，未來將成國產(chǎn)化替代攻堅領(lǐng)域中國市場FPGA需求量全球最大（30%以上），但我國的FPGA市場國產(chǎn)化率非常低。目前在民用領(lǐng)域，國產(chǎn) FPGA 在中國市場占有率不到 5%，未來國產(chǎn)FPGA有望蓬勃發(fā)展。

處理AI/ML工作負載的新塊浮點運算單元

塊浮點（BFP）是浮點和定點算法的混合，其中數(shù)據(jù)塊被分配一個公共指數(shù)。我們描述了一種新的算術(shù)單元，它為常見的矩陣算術(shù)運算執(zhí)行塊浮點運算并創(chuàng)建浮點結(jié)果。BFP算術(shù)單元支持多種不同精度和范圍的數(shù)據(jù)格式。

與傳統(tǒng)的浮點運算單元相比，BFP通過犧牲一些精度來節(jié)省大量的功率和面積。這個新的運算單元已經(jīng)在來自Achronix的新的7nm FPGA家族中實現(xiàn)。在一項演示中，人工智能和機器學習的工作負載進行了基準測試，與半精度（FP16）操作相比，BFP的性能和耗電都得到了提升。

FPGA能否稱雄？

作為FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）大廠，賽靈思方面認為，摩爾定律已經(jīng)接近走向終結(jié)，未來不能單純依靠芯片設(shè)計的周期性更新達到所需，這導(dǎo)致未來需要更多依靠芯片架構(gòu)創(chuàng)新突圍。賽靈思通信部門市場總監(jiān)Gilles Garcia表示，目前面臨的這些挑戰(zhàn)共同之處在于，要求有更高的性能、更多帶寬和更強計算能力，5G時代對賽靈思意味著更大的發(fā)展機會。

不同于此前通信時期，5G意味著更加碎片化的處理節(jié)點，端-邊-管-云構(gòu)成了龐大的計算網(wǎng)絡(luò)。Garcia進一步指出，5G將對FPGA廠商帶來三方面主要挑戰(zhàn)：大規(guī)模天線陣列如何管理無線電方面的復(fù)雜性，如何管理好前傳的帶寬需求，更大量的數(shù)據(jù)回傳需求如何滿足。

具體來說，在前傳方面，由于滿足傳統(tǒng)4G無線電裝置使用的同時，新增5G協(xié)議裝置的處理，這意味著要能支持不同協(xié)議的融合接入；城域間的多個接口，每個接口速率最高達到100Gbps，意味著核心干線傳輸接口至少需要具備100-400Gbps的傳輸能力。同時，終端的數(shù)據(jù)回程吞吐量將增加10倍，加上龐大的用戶群體，數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)指數(shù)級上升趨勢。

從網(wǎng)絡(luò)特征來看，5G對更高帶寬和更低時延的要求也進一步增加。Gilles Garcia介紹道，賽靈思采用的16納米制程技術(shù)，可節(jié)省60%功耗；而RF SoC技術(shù)，能做到在單芯片的SoC（系統(tǒng)級芯片）上把數(shù)字和模擬結(jié)合在一起，把封裝尺寸降低70%。

下一個競爭點在哪里？

5G時代一個重要變化是，電信運營商在數(shù)據(jù)中心進行邊緣計算，其中涉及網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能。在核心網(wǎng)部分，廠商對帶寬的要求不斷放大，因此賽靈思方面認為，數(shù)據(jù)中心將是一個重要市場。包括賽靈思在內(nèi)的大廠商已在斥巨資做大量的研發(fā)提供人工智能的能力、機器學習的能力，還有異構(gòu)計算的解決方案。

而在FPGA市場，此前英特爾曾收購賽靈思的競爭對手Altera，英特爾一大發(fā)力點也在于數(shù)據(jù)中心。此前，英特爾收購eASIC，意在用eASIC把FPGA過渡到ASIC（專用集成電路）層面。而業(yè)界也有觀點提出，ASIC是否會接棒FPGA成為下一代熱捧的處理方案。

總結(jié)

較之從前，物聯(lián)時代網(wǎng)絡(luò)存在明顯的差異，邊緣計算業(yè)務(wù)部署需求呈現(xiàn)多樣化特征，只有對客戶需求把握準確的公司才能逐步做大做強。在人工智能學習推理和圖像智能需求領(lǐng)域，GPU 大行其道推動英偉達等公司迎來高速增長，而 5G 邊緣計算時代，F(xiàn)PGA 將成為新的產(chǎn)業(yè)新重心。

相比其他異構(gòu)處理器，F(xiàn)PGA 更適配邊緣計算場景，其可針對每一種具體應(yīng)用，根據(jù)其算法結(jié)構(gòu)進行深度定制，達到較高的計算效率和能效；同時其與 GPU相比，F(xiàn)PGA 架構(gòu)能大幅優(yōu)化帶寬提升計算效率；并且在低時延與穩(wěn)定性上具備天然的優(yōu)勢。由此可看，5G 邊緣場景的多樣化將驅(qū)動算力產(chǎn)業(yè)進入 FPGA 時代。
編輯：lyn