讓FPGA更好地定制化，Achronix祭出custom blocks(定制單元塊)

　　讓FPGA定制進(jìn)ASIC/SoC

　　顧名思義，FPGA就是“可編程”邏輯陣列，特點(diǎn)是通用性，利用編程實(shí)現(xiàn)各種功能。但是Achronix讓它定制化了。看看Achronix怎么說。

　　縱觀FPGA的技術(shù)創(chuàng)新史，傳統(tǒng)FPGA制造商所關(guān)注的提供通用的可編程功能，例如上世紀(jì)80年代提供基于SRAM LUT的功能，90年代推出嵌入式RAM存儲(chǔ)器，2000年代推出加強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算的DSP，2010年代加入SerDes和硬化的I/O協(xié)議。他們的共同特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，因此一塊FPGA可以賣給不同的客戶，但是缺少定制性。

　　圖：FPGA的技術(shù)創(chuàng)新史

　　為此Achronix公司不久前推出了定制化的custom blocks(定制單元塊)。名為Speedcore Custom Blocks的IP新產(chǎn)品可加速數(shù)據(jù)密集的人工智能(AI)/機(jī)器學(xué)習(xí)、5G移動(dòng)通信、汽車先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。該公司的Speedcore嵌入式FPGA(eFPGA)IP產(chǎn)品已于2016年10月問世，特點(diǎn)是可以把FPGA嵌入到ASIC或者SoC之中。

　　圖：獨(dú)立FPGA與嵌入式FPGA(eFPGA)的版圖布局

　　eFPGA推高Achronix營收

　　Achronix公司在京新聞發(fā)布會(huì)上，公司市場(chǎng)營銷副總裁Steve Mensor向電子產(chǎn)品世界記者介紹了這款產(chǎn)品的推出背景及新產(chǎn)品架構(gòu)。

　　定制單元是FPGA的一項(xiàng)全新創(chuàng)新，可以大大縮小芯片的面積，提升芯片的性能。通過這種客戶bolck的協(xié)議，可以分布在內(nèi)部，提供非常高的靈活度。

　　Archronix目前有三個(gè)產(chǎn)品系列：獨(dú)立芯片，嵌入式FPGA內(nèi)核，和客戶的芯片進(jìn)行組合封裝(如下圖)。

　　圖：Achronix的FPGA產(chǎn)品線

　　Achronix將在2017年實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的銷售收入和業(yè)務(wù)量增長，預(yù)計(jì)2017年第四季度完成后，銷售收入將超過1億美元。

　　其中，Speedcore是三種產(chǎn)品中增速最快的產(chǎn)品。2016年10月第一次向媒體發(fā)布，目前在公司營收中占25%份額，預(yù)計(jì)未來三年內(nèi)將為公司整體利潤貢獻(xiàn)50%。

　　Speedcore的新產(chǎn)品推出速度也很快：2016年第三季度首次向客戶供貨，基于16nm產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，目前正在開發(fā)7nm產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2018年中可以向客戶供貨。

　　Achronix獨(dú)立的FPGA/Speedster和eFPGA/Speedcore都是由Achronix ACE設(shè)計(jì)工具提供支持。優(yōu)勢(shì)是完全可以定制的IP，包括LUT等資源數(shù)量、類型的比例和長短比例等。當(dāng)前該版本可以支持最大2百萬個(gè)查找表(LUT)。

　　custom blocks怎么用

　　Speedcore是列形式組織，有非常高的靈活度。當(dāng)前的版本成熟，支持邏輯、DSP、BRAM和LRAM。DSP適合視頻處理和無線通訊。Memory(內(nèi)存)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也是常見的，其中BRAM是大尺寸的內(nèi)存，LRAM是小尺寸、分布式的內(nèi)存。DSP和RAM也是列形式的組織，和邏輯的組織形式是類似的。

　　Speedcore Custom Blocks的組織方式和傳統(tǒng)的DSP、RAM和logic的組織方式是一致的，也是以列形式放置在架構(gòu)中。數(shù)量多少可以靈活調(diào)節(jié)，如下圖的棕色和紫色單元塊是Speedcore Custom Blocks。

　　圖：Speedcore的列形式組織

　　硬件加速器是應(yīng)對(duì)計(jì)算量增長的利器

　　當(dāng)前我們正遇到計(jì)算量越來越大的挑戰(zhàn)。據(jù)Cisco的網(wǎng)絡(luò)指數(shù)分析報(bào)告，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量越來越大，基于此產(chǎn)生產(chǎn)生的應(yīng)用類型越來越多。因此也需要越來越強(qiáng)大的計(jì)算處理能力來支持這些應(yīng)用開發(fā)，例如針對(duì)5G通信、高性能計(jì)算(HPC)、網(wǎng)絡(luò)加速和自動(dòng)駕駛等。如果可以考慮數(shù)量量和應(yīng)用類型的增長。實(shí)際上這些應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力的需求增長呈指數(shù)性增長。

　　為了應(yīng)對(duì)計(jì)算能力的急速增長，會(huì)對(duì)硬件的性能提出更新的需求。過去傳統(tǒng)CPU/馮.諾依曼架構(gòu)，計(jì)算能力的提升是通過提指令、取數(shù)據(jù)的串行方式來實(shí)現(xiàn)。為了提高性能，只能增加CPU/核的數(shù)量，提高單位CPU/核的頻率。但這種方式的缺陷是會(huì)在一定的物理限制(諸如功耗和面積)下會(huì)達(dá)到極限，在某一拐點(diǎn)上增長不會(huì)按照預(yù)期進(jìn)行了(如下圖)。

　　圖：CPU的演進(jìn)史

　　為了克服這種增加CPU/core的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)行業(yè)提出了異構(gòu)計(jì)算，由外部的硬件加速來協(xié)助CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)的CPU可以作為控制流或進(jìn)行較為簡單的計(jì)算，硬件加速器可以并行處理大量計(jì)算。這種組合可以大幅提升計(jì)算速度。例如下圖的eFPGA就可實(shí)現(xiàn)硬件加速器功能。

　　圖：硬件加速器的應(yīng)用

　　eFPGA的應(yīng)用案例，例如字符串(string search)查找功能，在傳統(tǒng)CPU構(gòu)架中查找一個(gè)單詞，要消耗很多CPU cylce(循環(huán))，例如需要72 cycle，如果可編程硬件加速器，1個(gè)cycle就完成了。

　　那么，如何將大型FPGA功能放入一個(gè)面積很小的片芯中呢?可以利用eFPGA的高效面積使用率，采用custom block自定義單元塊(注：與客戶一起定義的)，通過這種組合，可以將相關(guān)片芯面積縮小6倍!

　　為何eFPGA比標(biāo)準(zhǔn)FPGA更高效?

　　主要有如下三大原因。

　　*原因1。如下圖，傳統(tǒng)FPGA構(gòu)架中，周圍的紅色邊框放置可編程I/O、高速SerDes及各種接口控制器，這些會(huì)占有30%~40%面積。如果做成嵌入式FPGA，這些面積可以省掉。下圖公式展示的FPGA和片芯面積的比例。

　　圖：核心電路與邊緣電路的比例

　　那么為何Speedcore比標(biāo)準(zhǔn)FPGA更高效?

　　*原因2。微軟在其有關(guān)Catapulit項(xiàng)目(注：某云加速與計(jì)算項(xiàng)目)的白皮書中介紹了一種云規(guī)模的加速架構(gòu)。其中增加了一些術(shù)語，有shell(殼)和應(yīng)用。shell是I/O及電路板相關(guān)的邏輯電路，應(yīng)用是在核心邏輯上實(shí)現(xiàn)的核心應(yīng)用。

　　在此研究中，這些shell一旦固定到應(yīng)用中，這些可編程不能被可編程(即固定下來了)。另外，核心應(yīng)用是會(huì)改變的。因此如果拿掉shell，會(huì)節(jié)省44%的面積。

　　圖：如果去掉shell，會(huì)節(jié)省近一半的面積(注：左右兩圖的左上角均為“FPGA IO”)

　　*原因3。在把shell剝?nèi)サ幕A(chǔ)上，又增加了自定義的custom block，這是由客戶自定義的，分布在speedcore架構(gòu)之中，有了這種custom block，面積會(huì)縮小75%，同時(shí)有更低功耗和更高的性能。

　　基于以上三個(gè)原因，即裁剪了FPGA的可編程I/O，shell資源去掉，另外提高了custom block，因此片芯面積大大縮減(如下圖)。

　　圖：與獨(dú)立FPGA相比，把Speedcore的三個(gè)優(yōu)勢(shì)

　　小結(jié)

　　Achronix公司不久前推出的定制化的Speedcore custom blocks(定制模塊)，可以實(shí)現(xiàn)最小的片芯面積，提供ASIC級(jí)的性能，去構(gòu)建獨(dú)立FPGA芯片無法提供的功能。

　　Achronix作為FPGA的后來者，今年也要跨入1億美元俱樂部。新產(chǎn)品Speedcore 推出一年已占營收1/4，未來三年將占半壁江山。在夾縫中生長，Achronix的商業(yè)模式就是不走尋常路。