上世纪中叶开始,半导体行业随着摩尔定律呈指数状发展。随着摩尔定律,每过 18 个月芯片集成度翻一番,导致芯片平均成本快速下降;同时,随着特征尺寸变小,芯片上晶体管的性能也随着摩尔定律快速上升。
 
当然,芯片性能随着工艺制程高速发展也带来了一些副作用,就是工程师过多依赖新制程带来性能提升。处理器芯片的性能大体上可以表达为:
 
性能=架构 x 物理实现
这里的架构就是处理器的逻辑电路设计,而物理实现则包括了工艺制程、标准单元库性能、后端布局布线等等。在摩尔定律最红火的年头,一代工艺制程的差距可以秒杀架构上的优势;换句话说,即使你的架构设计再领先,一旦在工艺制程上落后了,那么你的产品就很可能要失败。即使像 Intel 这样聚集了全球最顶尖架构设计精华的公司,也要走 tick-tock 路线,即一代产品不改架构,抢先用新的工艺制程实现,然后第二代产品保持工艺制程不变,而再去做架构上的优化。
 
然而,随着摩尔定律越来越接近工艺极限,现在的架构设计变得越来越重要。在特征尺寸越来越小时,量子效应越来越显著,因此新制程的研发成本越来越高,几乎到了难以负担的地步,因此新制程的研发速度越来越慢,TSMC、Intel、三星等半导体巨头新的工艺制程时间表充满了不确定的因素,因此芯片的性能进步越来越多地取决于如何优化架构设计,而非如何抢占新工艺。
 
随着摩尔定律接近终结,芯片行业的增长率下降,而使用新工艺制程的成本则快速上升
 
在这种情况下,异构计算就得到了越来越多的关注。在摩尔定律飞速发展的时代,大家往往倾向于使用同一种通用芯片(如 CPU),因为为通用芯片开发软件比较方便;如果 CPU 暂时不够强大无法流畅运行你的代码也不要紧,只要等个半年一年使用新工艺制程的 CPU 出现通常就能完美运行你的高计算量的代码了。然而,到了今天,大家发现通用处理器的性能上升越来越慢,同时随着物联网等边缘计算应用的兴起,使用 CPU 消耗的功耗太大,因此大家觉得还是得为了应用开发专用的芯片,用高度优化的架构来实现高性能。
 
FPGA 成为市场的宠儿
在异构计算中,FPGA 是重要的设计实现方法。FPGA 是一种特殊的芯片,它通过片上存储器和查找表来实现逻辑。因此,如果你改写片上存储器和查找表的内容,就可以重配置 FPGA 的逻辑,从而让 FPGA 实现不同的功能。FPGA 因为有这样高度的灵活性,在过去常常用于芯片正式流片前的功能验证。当然,FPGA 也有其缺点,就是之前所说的物理实现。FPGA 为了满足可充配置的特性,可以粗略地认为牺牲了物理实现,因此同样的设计在专用芯片 ASIC 上的时钟频率往往是 FPGA 的 5-10 倍。但是在今天的异构计算中,FPGA 由于架构可以根据应用随时定制,因此可以实现非常高效的架构,因此弥补其在物理实现上的劣势。因此,FPGA 近几年在移动端(无人机)和云端数据中心等应用场景都获得了不小的市场份额。
 
FPGA 在 Amazon AWS 中的应用成为了 AWS 的新亮点
 
虽说 FPGA 能让设计根据应用快速调整最优架构,但是其物理实现上的劣势还是成为了 FPGA 进一步推广的瓶颈。那么我们能否进一步改善 FPGA 的物理实现呢?
 
我们首先看一下 FPGA 的物理实现瓶颈在哪里?传统 FPGA 的组成包括逻辑资源(CLB)和布线资源两类。逻辑实现基于查找表,虽然可能比标准逻辑要慢一些,但是可以通过插入 pipeline 等方法来提升。
 
 
而布线资源对于 FPGA 来说则是更加宝贵。对于 ASIC,走线非常随意,在逻辑单元上方走线也没关系,但是传统 FPGA 的走线则必须走固定的 routing channel,并且经过 switch box。这样的限制大大降低了 FPGA 中设计的最高工作频率。可以说,布线资源是目前 FPGA 性能的最大瓶颈。在这种情况下,业界又在寻找新的解决办法。
 

 

Efinix 横空出世,革 FPGA 的命?
日前,赛灵思、三星电子和香港 X 科技基金向初创公司 Efinix 投资的新闻引起了业界的轰动。后者作为一家“革命性”的 FPGA 公司,给沉闷已久的 FPGA 市场带来了一些新的动力。
 
据 IEEE 报道,Efinix 公司总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市,他们计划用一种全新的 FPGA 技术来设计芯片, Efinix 公司把此技术称为 Quantum FPGA。
他们提出了一种新的理念:那就是在抛弃具有专用功能的每个电路板格(这些电路板格被称为可交换逻辑和路由处理器)的基础上,每一个电路板格都可以根据特定目的被编程。颠覆了过去 FPGA 的基本架构。也就是说,Efinix 的新 FPGA 最大的特点就是在布线资源方面做出了突破。
 
传统的 FPGA 中,用于布线的单元和用于实现逻辑功能的单元是分开的,这也造成了布线的困难并限制了性能。在 Efinix 提出的 Quantum FPGA 技术中,一个单元既可以是逻辑单元,又可以是布线单元,可以根据需要灵活配置。这样一来,Efinix 的 Quantum FPGA 的布线可以更加灵活,因此可以实现更高的速度和更低的功耗。据介绍,芯片尺寸只有现在的四分之一,而且能耗只有传统芯片的一半,结构也没有过去那么复杂了。
 
过去,训练人工智能和深度学习需要依赖中央计算机和服务器产生大量数据,而现在,依靠这一系列优化功能组合,可以推动人工智能和深度学习更加轻松。
 
 
从产品技术应用上看,Efinix 的 Quantum FPGA 首先可以替代传统 FPGA,在设计验证和异构计算等场合得到应用。在异构计算领域,由于 Quantum FPGA 在性能上比传统 FPGA 有不少优势,因此可望能实现基于 FPGA 的异构计算方案的进一步普及。
Efinix 的目标市场包括少于逻辑单元数量少于 15K 的 IoT 和移动应用的超低功耗应用;逻辑单元数量在 15K 到 150K 之间的传统应用(工业、医学、汽车、广播和视频)和新兴市场领域(无人机、自动驾驶汽车、边缘计算和各种智能系统);以及逻辑单元数量从 150K 到 500K 及以上的数据中心应用。Efinix CEO 张少逸在 IEEE Spectrum 的访谈中表示,Efinix 的 FPGA 方案可望能把 FPGA 市场规模再拓展一倍,由现在的 50 亿美金市场规模变为 100 亿美金。 因此说这难保对 FPGA 市场造成一定的冲击。
 
除了传统 FPGA 的市场之外,Efinix 在最近很火热的嵌入式 FPGA 市场也有布局。嵌入式 FPGA 是指把 FPGA 电路 IP 集成到 SoC 上面,这样 SoC 也可以借助 FPGA 的可配置性实现更灵活的工作方式。在嵌入式 FPGA 领域,Flex Logix 可谓是当仁不让的明星,目前已经获得了一千二百万美金的投资。而 Efinix 也在计划把自己的 Quantum FPGA 以 IP 的形式集成到合作厂商的 SoC 中去,作为在嵌入式 FPGA 市场的布局。
 
除此之外,大家最关心的恐怕是 Efinix 的出现是否会对目前市场上 Xilinx 和 Intel 在 FPGA 领域的垄断地位造成威胁。答案是——Efinix 应该不会对 Xilinx 造成任何威胁,因为 Xilinx 是 Efinix 的早期投资者,目前 Efinix 和 Xilinx 在许多方面正在紧密合作中。Efinix CEO 张少逸在 IEEE Spectrum 的访谈中明确表示 Efinix 不会挑战 Xilinx,而是想和 Xilinx 一起把 FPGA 市场的蛋糕一起做大;而 Xilinx 高级副总裁 Salil Raje 则在同一个访谈中大赞 Efinix,并且说期待未来和 Efinix 更紧密的合作。因此,Efinix 可以看作是 Xilinx 阵营的新兴技术公司,一旦其技术得到市场认可,很可能会被 Xilinx 高价收购。当然,对于 Intel 来说,Efinix 就是竞争对手了。不过,Efinix 的产品预计在 2017 年年底推出样品,而在 2018 年下半年正式发布多款产品,因此 Intel 暂时还可以先不用太紧张,等 Efinix 正式产品量产后再做打算。
 
Efinix 的投资方中位列第一的就是 Xilinx,预计 Efinix 将与 Xilinx 之间有非常多的合作
 
结语
随着摩尔定律遇到瓶颈,基于 FPGA 的异构计算得到了越来越多的应用。传统 FPGA 虽然能实现非常高效的专用架构,但是其布线资源的局限性成为了性能的瓶颈。Efinix 的 Quantum FPGA 架构通过一种既可以用作逻辑单元又可以用作布线单元的通用单元技术实现了 FPGA 布线瓶颈的突破,可望让 FPGA 性能大幅提高,同时在异构计算中获得更大市场份额。