面世三十五年,FPGA站上了新风口

作者:李寿鹏 

来源:半导体行业观察

在数十亿美元的FPGA市场里,赛灵思是当之无愧的头号玩家。统计数据显示,多年来,赛灵思都以超过50%的份额勇夺FPGA供应商之首,而从赛灵思官方的数据看来,公司的业绩也在稳步增长中。根据最新的年报显示,公司在2019财年的年度收入为30亿美元,年增长率高达24%。公司过去五年的市值也几近涨了两倍。

赛灵思在过去五年的股价走势

作为FPGA、硬件可编程 SoC 及 ACAP 的发明者, 拥有超过 4,000 个专利的芯片核心玩家,赛灵思是如何成长起来的?公司对于未来又有怎样的看法?让我们通过溯源公司的发展史以及与公司高管的交流,来了解这家FPGA龙头对产业未来的看法。


FPGA和无晶圆厂的开拓者

大家都知道赛灵思是FPGA的“发明者”,但其实他们还是无晶圆厂的开拓者。而这一切都得从赛灵思的创始人 Ross Freeman和Bernie Vonderschmitt。

首先看FPGA的发明者 Ross Freeman。

据了解,这个手持密歇根大学学士学位、伊利诺伊大学硕士学位的伟大发明者在刚毕业的时候从事的其实并不是设计类工作。有别于他的其他同学, Ross Freeman加入了一家名为和平队(Peace Corps)的非营利组织,去加纳担任志愿老师,为当地人教授数学和物理学。在那边工作两年之后, Ross Freeman回到美国并加入了Teletype公司,在那里设计PMOS芯片。之后, Ross Freeman作为最早的一批工程师加入Zilog并招募了一个团队,进行Z8000的研发工作。

FPGA的发明者Ross Freeman

值得一提的是,当时他还招募了一个名为Bill Carter的员工。后者后来成为了赛灵思的第八位员工,且因为在听到 Ross Freeman 介绍了FPGA的概念之后,说出“当他描述完FPGA的概念之后,我第一个念头就是,疯了!这是史上对晶体管最不靠谱的浪费了!”这句话而在这个领域扬名天下,这是后话。

虽然在Zilog做着微处理器, 但Ross Freeman拥有一个梦想,那就是去打造一个像空白磁带一样的芯片,任由工程师在上面编程增添功能,这就是后来的FPGA。然而在当时晶体管非常昂贵的时代, Ross Freeman这个想法绝对激进,也难怪Bill Carter会说出上述的话。

不过作为摩尔定律的坚定信徒, Ross Freeman认为晶体管的逐渐便宜让FPGA成为可能。在几经尝试之后, Ross Freeman终于成功拉拢了他在Zilog的同事Jim Barnett与上司Bernard Vonderschmit,携手创立了赛灵思。其中Bernard Vonderschmit还有一个重要身份,那就是Fabelss概念的提出者。这也可以看做是赛灵思除了FPGA之外,带给产业的另一个重要贡献。Bernard Vonderschmit之所以会有如此颠覆性的想法,与他当时的职业生涯有重要的关系。

赛灵思创始人Bernard Vonderschmi

相关文献显示,Bernard Vonderschmit曾在RCA任职,负责相关芯片开发和半导体工厂。但他在工作过程中发现,如果想要从母公司获得资金去推动芯片从设计再到工厂量产越来越难,同时打造半导体工厂的成本也越来越贵,为此他说:“如果我创办一家半导体公司,那将是无晶圆厂。同时我们也可以找到为我们制造产品的合作伙伴。”

世界上第一颗FPGA XC2364的die 照片

正是在创始人的这种理念的推动下,赛灵思在1984年二月宣告成立。到了次年,在日本精工半导体工厂的支持下,赛灵思推出了全球第一颗FPGA芯片XC2064。资料显示,这颗芯片采用2um工艺打造,包含64个逻辑模块和85000个晶体管,每个模块含有两个3输入查找表(LUT)和一个寄存器,门数量不超过1000个。

也正是从这颗芯片开始,掀开了此后三十多年来可编程逻辑器件的辉煌征程。


从FPGA到FPGA SoC的演进

关于赛灵思第一颗FPGA的用途,笔者查阅了很多资料,并没有找到精确的答案。但据行业资深人士告诉笔者,早期的FPGA主要作用是用做“Glue Logic”,也就是胶合逻辑。据了解,这是连接复杂逻辑电路的简单逻辑电路的统称。

举个例子,一个ASIC芯片可能包含诸如微处理器、存储器功能块或者通信功能块等功能单元,这些功能单元之间通过较少的粘合逻辑连接起来,而FPGA就可以充当这样一个角色。而在XC2064之后,赛灵思在之后推出了XC3000 和XC4000系列,并逐渐为FPGA加入了一些系统功能。资料显示,从XC4000开始,赛灵思的FPGA才开始大规模走向商用。

也就是在这个阶段,他们开始意识到软件支持的重要性。为此,在1995年,他们收购了NeoCad,这为他们后续开发方便的开发工具打下了夯实基础。而在FPGA产品方面,赛灵思也应市场需求做了迅速的转变,在2000年前后推出了Virtex和Spartan两个FPGA系列,在高端和低端FPGA市场双线出击。通过给FPGA更多的赋能,将FPGA带进了新时代。

以Virtex系列为例,除了FPGA逻辑外,它还融入了嵌入式固定功能硬件,用于乘法器、存储器、串行收发器和微处理器内核等常用功能。尤其是2001年发布的Virtex II Pro,更是破天荒地将SerDes集成到FPGA,也是第一次将处理器(PowerPC)集成到FPGA中。虽然Virtex II Pro不是SoC,它没有完整的系统支持,因此无法支持大多数的应用。但从Virtex II Pro开始,赛灵思一直坚持将处理器与FPGA技术紧密结合,构建更美好的蓝图。

到了2012年,赛灵思带来了FPGA行业的真正突破——发布了业界首款28nm Zynq SoC器件。作为一款完整的SoC片上系统,Zynq拥有真正的应用处理器以及高速缓存,存储器控制器,外设以及FPGA逻辑、DSP模块、SerDes模块的完整子系统。Zynq SoC的使赛灵思成为系统的核心,而不是处理外围功能和逻辑连接。

除此之外,2011 年推出全球第一款 2.5D IC FPGA、 2015年推出第一款多处理系统芯片(MPSoC)也是赛灵思多年里持续创新的一个深刻印证。

正是因为他们持之以恒地给FPGA赋予更多这些功能,赛灵思才能把市场拓宽到有线和无线基础设施设备、高级医疗设备、测试和测量等应用中。时至今日,这一系列的产品和他们所开拓的市场依然是赛灵思公司的主要营收来源。

从财报可以看到,在赛灵思2019财年的30亿美元营收中,数据中心、测试与量测占比18%;汽车、广播与消费性电子占比14%;通讯占比41%;工业、视觉、医疗与科学、航天的营收占比为27%、这足以证实赛灵思这次产品“转型”的重要性。当然,持之以恒的创新,是赛灵思能够成长为FPGA巨头的关键。

但赛灵思的创新力度永不停歇。面对汹涌而至的5G浪潮,他们在2017年推出了全新的RF SoC,更是公司征战万亿5G市场的一个新利器。据介绍,这是一款采用 RF 级模拟技术的自适应RFSoC。这个产品创新地将高性能 ADC 和 DAC 完美集成到了 SoC 中,并用集成直接 RF 采样技术取代分立数据转换器。通过这种方式,RFSoC 不但可削减 50-75% 的功耗和封装尺寸,其FPGA本身的灵活性也能为大规模 MIMO 5G 无线电和毫米波无线回传提供重要的支持;2018年他们又发布了Alveo数据中心加速器卡,简化了数据中心中高性能,自适应FPGA加速的开发和部署。

然而在一股新潮流的推动下,赛灵思正在酝酿下一场革命。


ACAP肩负的平台化重任

除了上述的5G外,人工智能也是当下科技界关注的又一个热点。

德勤新近发布的报告指出,2025年世界人工智能市场规模将超过6万亿美元。这必然会带来相关芯片需求量的飙升。据赛迪顾问预测,在AI芯片领域,云端产值在2021年将达到106亿美元,终端领域将达到5.55亿美元。

面对如此巨大的市场潜力,拥有极具灵活性FPGA的赛灵思绝不会错过。公司第四任CEO Victor Peng 在2018年上任后,便提出了“打造灵活应变、万物智能的世界”的公司使命。也就是这一年,赛灵思宣布了“数据中心优先、加速核心市场发展、驱动自适应的计算”的三大策略。

FPGA巨头正在以一幅全新的姿势拥抱这个新时代。

纵观当下的科技现状:云计算、便携式计算、物联网设备、5G和自动驾驶汽车计算的融合,正在驱动着算法从根上的变革,呼唤未来10年内将算力提高100倍,甚至是1000倍。此外,由于人工智能在上述行业中的普及,这些算法不断“发展-创新”的周期已经远远超越了芯片设计和制造的周期。

而摩尔定律的消亡,使得芯片在工艺扩展上的优势在不断降低,对更高算力的需求变得更加复杂,这就使得特定领域架构(DSA)成为下一代性能和能效提升的必然。正因如此,赛灵思推出了业界首创的ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform)自适应计算加速平台。赛灵思方面表示,这是一个面向当今创新和和变革者具有划时代意义的革命性异构计算平台,其寓意是Versatile(多样化的)+ Universal(通用的),表示其集多样性和通用性为一体,是一款可面向所有应用、面向所有开发者的平台级产品。

换而言之,ACAP将承担赛灵思从硬件走向平台的重任。据了解,这个新产品不但能使软硬件灵活应变的DSA成为技术发展的方向,还能将软件可编程性与可动态配置的特定领域硬件加速和自适应能力相结合,使企业能够应对数据爆炸带来的计算挑战,并能保证自己的创新永不落伍。

从配置上看,该芯片不仅包含了FPGA的可配置逻辑,还包含了ARM核,以及AI Engine和DSP Engine。这意味着使用ACAP架构的芯片将可以满足三种需求:ARM核可以运行一些通用化且对性能需求不高的任务,例如操作系统;FPGA可配置逻辑可以运行定制化逻辑;而AI Engine则可以运行AI相关的高性能专用计算,例如矩阵运算等。其中的AI Engine更是ACAP最被人看好的一个功能特色。

赛灵思ACAP架构

从赛灵思发布的资料我们可以看到,这个AI Engine是一组SIMD核阵列,每个内核都包含了完整的RISC处理器、定点SIMD处理单元、浮点SIMD处理单元以及本地内存器。每个内核之间还可以通过片上网络(NoC)连接到一起,从而可以实现高度灵活的数据流,此外还能无缝集成所有引擎和关键接口,使该平台在启动时即可使用平台的各项资源。同时,NoC的存在也能方便软件开发者、数据科学家和硬件开发者等轻松进行编程。

按照行业资深人士的说法,得益于NoC,ACAP在时延方面的表现,较之GPU并行赖以成名的SIMD更有优势,这就是很多人认为赛灵思ACAP非常适合人工智能领域的一个原因。

赛灵思CEO Victor Peng则认为,ACAP甚至可以应付未来会出现的新的变化,比如与新应用和新器件也可以进行互联,进行加速。“此外,ACAP不仅可以在软件方面编程,也能像传统的产品一样支持硬件开发者进行开发”,Victor强调。

根据赛灵思的介绍,公司特别打造了一个统一软件平台和一系列支持行业标准设计流程的工具、软件、库、IP、中间件和框架。其中,Versal ACAP的硬件和软件可以由软件开发人员、数据科学家和硬件开发人员灵活地进行编程和优化,满足所有开发者灵活定制的创新需求。

简而言之,Versal ACAP是一个革命性的新型平台,它将加速自适应计算模式从边缘到云的广泛普及,从而加速人类实现智能、互联和灵活应变的世界。今年六月,赛灵思的首款自适应计算加速平台Versal终于正式出货。据了解,这个产品使用台积电7nm工艺制造,内置双核ARM Cortex-A72应用处理器、双核ARM Cortex-R5F实时处理器等多个硬件引擎,能为数据中心、汽车、5G无线等多个领域的应用提供重要的底层性能支持。

从这款产品开始,FPGA巨头正式打开了一个新篇章。


FPGA的未来靠什么?

文章开头我们提到,驱使Ross Freeman发明FPGA的一个理念是摩尔定律。因为根据摩尔定律,单位芯片上集成的晶体管数量每18个月会翻一番,而每个晶体管的成本也会同步下降。然而最近几年,随着工艺节点的演进,摩尔定律似乎已经在事实上失效了,赛灵思的高管也不止一次在公开场合表达了这样的观点。

在去年十月的赛灵思开发者大会上,公司CEO Victor Peng在接受媒体采访时就表示,摩尔定律已经死亡。今年七月于加州举行的一场座谈会上,他再次强调——摩尔定律气数已尽。

那么,拥有庞大晶体管数量的FPGA产品的未来该如何发展?也许异构集成会是他们的一个重要方向。

在2019年8月于美国举办的创新日活动上,赛灵思中央工程部芯片技术副总裁吴欣先生强调,虽然通过架构创新、EUV、BEOL和新材料等的引入,晶体管还能继续微缩,但是微缩所需的时间周期和成本正迎来指数级的增长。这时候,异构集成的出现就可以很好地解决这个问题。

典型的芯片堆叠方案

从概念上看,所谓异构集成,可以拆分成异构和集成两个概念。异构是指类似ACAP这样的产品,在一个芯片内封装了ARM、AI Engine 和FPGA等不同架构的处理器;而集成则是指将分立制造的部件集成到一个更高级别的组装结构中,以增强其功能和改善其工作特性。“类似CoWoS、MCM、EMIB、InFO和MCM+EMIB就是集成的一些典型方案,”吴欣强调。

赛灵思的异构集成可以追溯到2011年。当时他们推出了全球第一款 2.5D IC FPGA。而发展到现在,赛灵思的集成主要是基于其堆叠硅片互联技术(Stacked Silicon Interconnect,简称SSI)。据了解,赛灵思的这个方案是在封装基板(Package Substrate)和FPGA裸片之间加入了一层无源硅中介层(Silicon Interposer),然后在硅中介层上可以放置多枚FPGA裸片。之后这些裸片通过在中介层里的硅通孔(Through Silicon Vias,简称TSV)、微凸块(Microbumps)以及大量连线进行相互连接。吴欣表示:“协同优化在异构集成中也能发挥重要的功用。”

赛灵思的堆叠芯片互联技术

除了在硬件方面,赛灵思认为软件方面的升级也是FPGA发展路上的一个重要助攻。目前,赛灵思正在探索新的编程模型和程序设计方法,期望在数据流编程模型的基础上快速开发,融合异构架构的能力。这对于一直被诟病开发“门槛”太高的FPGA来说,这一点至关重要。

我们同时也应该清晰看到,随着赛灵思将FPGA引入到更多的领域,吸引了更多的开发者进入其中,那就意味着FPGA巨头面临着前所未有的软件挑战。

这值得他们深入去探索,也值得我们期待!


*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

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