Achronix對國產FPGA發展的啟示
在全球範圍內，FPGA行業的主要市場份額常年被賽靈思和英特爾兩家公司牢牢掌握。隨著時間的積累，這兩家公司逐漸構建起一道由上萬件核心技術專利組成的「護城河」，而這條護城河也成功阻止了很多FPGA公司進一步發展的腳步。一些存活下來的公司，比如Lattice和Microsemi，往往只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等特殊的應用領域。
然而，今年5月底，一家名為Achronix的美國公司發布了一款名為Speedster7t的FPGA產品，主打高速網路傳輸、機器學習加速等領域。這些應用場景既屬於FPGA的傳統優勢項目，也包含了近年來正在蓬勃興起的FPGA全新應用。很明顯，Achronix公司就是要借這款產品和賽靈思與英特爾等巨頭FPGA公司正面對決。
這家名字有些拗口的公司成立至今已有15年。在這些年裡，Achronix從無到有、從小到大，逐漸發展起來，並在今天有了和巨頭FPGA公司一決高下的底氣。在接下來的文章中，老石將具體分析Achronix最新FPGA的性能特點，以及它的發展歷程對於我們國產FPGA行業有哪些啟示。
Achronix是誰
Achronix公司成立於2004年，總部位於美國矽谷的Santa Clara，在印度設有研發中心，在深圳也設有分支機構。雖然距成立至今已有15年時間，Achronix目前仍然是一傢俬人公司，外界猜測其總融資金額大概在1.8億美元到2億美元之間。
值得注意的是，Achronix已於2017年第一季度實現盈利，其季度營收也由2016年第四季度的500萬美元，一年後躍升至4000萬美元，並成為當時世界上發展速度最快的半導體公司之一。
Achronix近年的飛速發展一方面得益於FPGA技術本身的不斷廣泛應用，另一方面得益於它自身的技術進步。有意思的是，作為無晶圓廠晶元公司，Achronix曾由英特爾代工，發布了世界上首個基於FinFET技術的FPGA，甚至早於賽靈思以及後來被英特爾收購的FPGA第二大廠Altera。Achronix的這款FPGA，也是英特爾代工製造的首個FPGA。
除了「傳統」FPGA晶元產品之外，Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商，見下圖。在之前的文章曾經介紹過，包括Facebook在內的一些大型互聯網企業據信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潛在客戶。
與傳統FPGA相比，eFPGA的最主要特點是能將可編程邏輯單元與其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在縮小晶元面積的同時降低系統功耗，如下圖所示。關於eFPGA的更多內容，有興趣的讀者可以查看老石之前的文章，《啥是eFPGA》，在本文不再贅述。
《啥是eFPGA》
Speedster7t：對標Agilex和ACAP的全新FPGA
今年五月底新發布的Speedster7t系列FPGA，應該算是Achronix的技術集大成者，這也給了Achronix叫板賽靈思和英特爾的信心和勇氣。事實上，這款FPGA的確有不少讓人眼前一亮的技術特點值得我們關注。
（圖片來自Achronix）
在工藝製程方面，Speedster7t將基於臺積電的7納米工藝製造，這與賽靈思的「ACAP」晶元使用的是相同的製造工藝。由於臺積電的7納米工藝與英特爾的10納米工藝屬於同代，因此Speedster7t在工藝製程上和英特爾的旗艦FPGA「Agilex」相比不落下風。
在晶元架構方面，Achronix的這款FPGA最大的特點之一就是採用了遍佈晶元的2D片上網路技術，這與賽靈思的ACAP再一次不謀而合。
片上網路技術（NoC）是當前為了應對帶寬瓶頸而逐漸興起的重要技術，在老石之前的文章中曾多次提及。特別是在高速網路應用中，如5G、數據中心網路等領域，已經開始需要FPGA線速處理高達400Gbps的乙太網流量。如果使用傳統的設計方法，需要1024位寬的數據匯流排，並運行在724MHz的時鐘頻率下才能滿足帶寬要求。此外，可編程邏輯單元往往需要從晶元的不同位置傳輸數據，包括片上和片外的存儲器、以及特定的硬體加速模塊，如機器學習加速器等等。為了在片上進行大量數據傳輸和搬運，必須採用全新的片上網路NoC技術。
在Speedster7t上採用了橫向和縱向的2D片上網路，並使用256位寬的AXI匯流排實現，運行在高達2GHz的頻率下，從而提供單路512Gbps、總共20Tbps的片上網路帶寬。
除了滿足帶寬要求，通過使用片上網路還能將片上邏輯單元劃分成相對粗粒度的區域，從而極大降低佈局布線演算法的複雜度，也能提高時序收斂的速度。老石相信，片上網路技術將會是未來FPGA架構發展的一個重要方向。
此外，Speedster7t上集成了多個機器學習處理器（Machine Learning Processor – MLP），它可以支持不同定點數及浮點數的運算操作，如下圖所示。此外，這款FPGA還能在片上最多集成300Mb的內存單元，以滿足人工智慧和機器學習相關應用的實現。雖然片上內存的容量距離賽靈思UltraScale+系列高達500Mb的片上內存還有一定差距，但已經和英特爾Stratix10系列FPGA的片上內存容量差不多。
除了片上網路和機器學習處理器之外，Speedster7t還集成了很多高速介面，如PCIe Gen5、GDDR6、112Gbps SerDes等等，本文不再詳述。欲獲取這款FPGA更多的技術信息和資料，請在知識星球「老石談芯-進階版」查看。
Achronix的發展歷程對國產FPGA的重要啟示
Achronix歷時15年的發展，從無到有，從小到大，直到今天能和兩大FPGA巨頭公司一較高下，這其中有著很多值得我們國產FPGA公司借鑒的啟示和經驗。
首先，技術的發展沒有捷徑，不要過分迷信「彎道超車」。Achronix的技術積累並非一蹴而就，而是需要長達十幾年的時間不斷沉澱和創新。特別是對於專利壁壘極高的FPGA產業，不論是晶元架構、關鍵IP、高速介面等晶元硬體設計，還是FPGA設計工具和生態系統建設，都不太可能通過一次次「彎道超車」實現。只有不斷在正確的賽道上積累和加速，才能像Achronix那樣，有朝一日在主流舞臺和那些主要玩家們同場競技。
第二，擁抱新技術、新方向。正如前文提到的，在Achronix的新一代FPGA上採用了片上網路技術、機器學習處理器等諸多新技術，這些技術只有在賽靈思和英特爾的最高端FPGA中才有使用。這正說明瞭FPGA公司擁抱和使用最新技術的重要性。FPGA的發展一直遵循摩爾定律，而這些新科技和新方向，也使得FPGA將摩爾定律不斷延續。
第三，離開「舒適區」，敢於對決的勇氣。和Lattice、Microsemi等其他FPGA公司不同，Achronix選擇在人工智慧、高速網路處理等領域和傳統FPGA巨頭硬剛，其自信和勇氣就著實令人佩服。對於我國的FPGA公司，也應該努力走出自己的傳統業務領域，向不斷蓬勃湧現的新興FPGA應用領域發起衝擊。
結語
不積跬步，無以至千里。在人心浮躁、技術虛無，人人造芯、但不知芯為何物的今天，老石認為，文中這家公司十幾年的堅守和奮鬥應該能夠給予我們一些啟示。
註：本文僅代表作者個人觀點，與任職單位無關。）
本文系老石原創，如需轉載請先聯繫老石獲取授權。
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