FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）自誕生以來就一直在沖擊著專用集成電路（ASIC,，Application Specific Integrated Circuit）芯片界的神經(jīng)。在20世紀(jì)80年代中期，RossFreeman和他的同事從Zilog手中購買了這項(xiàng)技術(shù),，并著手創(chuàng)辦了針對ASIC仿真和教育市場的Xilinx。（Zilog出自?？松梨谑凸?，因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代，人們已經(jīng)開始擔(dān)心石油會在30年后枯竭,，這一點(diǎn)在今天仍然適用）,。同時，Altera也以類似的技術(shù)為核心成立,。

　　FPGA是由電路編程的芯片,，支持“仿真”該電路,。這種仿真的運(yùn)行速度比使用ASIC實(shí)現(xiàn)的實(shí)際電路運(yùn)行速度慢--它的時鐘頻率更慢，使用更多的功率,，但它可以每隔幾百毫秒重新編程一次,。

　　制作ASIC的人們一開始先使用FPGA來仿真ASIC，然后再將它們進(jìn)行掩碼處理并批量制造,。英特爾,、AMD和許多其他公司在制造芯片之前都會使用FPGA來仿真芯片。

　　觸動電信業(yè)的神經(jīng)

　　電信行業(yè)一直是FPGA的主要用戶,。電信標(biāo)準(zhǔn)不斷變化,，建造電信設(shè)備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會占領(lǐng)最大的市場份額,。由于ASIC需要很長時間才能完成,，F(xiàn)PGA提供了一個捷徑。電信設(shè)備的最初版本一般采用FPGA,，但FPGA高昂的價格引發(fā)了沖突,。盡管FPGA的價格對ASIC仿真市場無關(guān)緊要，但對電信行業(yè)而言,，芯片的價格卻很重要,。許多年前，AT＆T和朗訊制造了自己的FPGA,，稱為ORCA（優(yōu)化的可重配置單元陣列）,，但就硅片的速度或尺寸而言，它們與Xilinx或Altera相比不具有競爭力,。

　　如今,，華為已成為FPGA的最大客戶。華為兩年前即提供了世界上最早的5G電信設(shè)備解決方案,，相較于其他供應(yīng)商處于明顯優(yōu)勢,，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會導(dǎo)致產(chǎn)于美國的FPGA影響華為提供5G電信設(shè)備。

　　FPGA價格觸及神經(jīng)

　　早期,，F(xiàn)PGA被用于SDR（軟件定義的無線電）——在同一時間建立多個不同標(biāo)準(zhǔn)的無線電通信,，本質(zhì)上是一部講多種語言的單一電話。這一次,，F(xiàn)PGA挑動了一個巨大的神經(jīng),。

　　SDR技術(shù)的實(shí)施方式存在分歧。商業(yè)供應(yīng)商開發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案,，如今地球上的每個基站都有SDR技術(shù),。另一方面，在國防界，SDR是由大型國防承包商建造的,，他們用有利可圖的傳統(tǒng)產(chǎn)品線來建造,。其結(jié)果是基于FPGA的無線電產(chǎn)品價格非常高，以至于美國部分國防市場對使用FPGA產(chǎn)生了持續(xù)的過敏反應(yīng),。

　　接下來,，F(xiàn)PGA試圖在DSP（數(shù)字信號處理器）和嵌入式市場中發(fā)展。在角落里有一些微處理器的FPGA開始出現(xiàn),。銷售這些新型FPGA的壓力太大,，以至于如果客戶拒絕新的芯片系列，它們將被列入黑名單,，有時甚至?xí)芙^提供服務(wù)好幾個月,。鑒于FPGA產(chǎn)品具有巨大的覆蓋率和知識產(chǎn)權(quán)層而無法降低其價格，因此,，發(fā)展FPGA市場的壓力一直是巨大的,，F(xiàn)PGA公司征服新市場失敗的規(guī)模也是如此。

　　觸動HPC和數(shù)據(jù)中心的神經(jīng)

　　在過去的幾年里,，F(xiàn)PGA一直試圖在HPC（高性能計算）和數(shù)據(jù)中心市場發(fā)展,。2017年，微軟宣布在數(shù)據(jù)中心使用Altera FPGA,，而英特爾則收購了Altera,。2018年Xilinx公司宣布其“數(shù)據(jù)中心優(yōu)先”戰(zhàn)略，Xilinx首席執(zhí)行官在眾多分析師面前宣布Xilinx不再是一家FPGA公司了,。這可能是一種輕微的戲劇化表現(xiàn),，但從歷史上看是有關(guān)聯(lián)的。

　　在高性能計算機(jī)和數(shù)據(jù)中心使用FPGA時,，目前的主要障礙是布局和布線——運(yùn)行專有FPGA供應(yīng)商軟件將電路映射到FPGA元件所花費(fèi)的時間,，在大型FPGA和高速CPU服務(wù)器上，布局和布線需要長達(dá)三天,，而且很多時候即使在使用三天后，很多軟件仍無法解決映射問題,。

　　觸動石油和天然氣的神經(jīng)

　　在石油和天然氣實(shí)施領(lǐng)域中,，2007年左右出現(xiàn)了一個利基市場。傳統(tǒng)計算機(jī)模擬地球上的鉆孔以發(fā)現(xiàn)石油所花費(fèi)的時間比實(shí)際建造的鉆井場地和鉆井本身還要長,，F(xiàn)PGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒時序,。石油公司數(shù)據(jù)中心中的第一個FPGA，用于計算地震圖像,，由MaxelerTechnologies制造,，并交付給Chevron。

　　幾年來，F(xiàn)PGA在石油和天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,，直到來自ASIC行業(yè)的壓力導(dǎo)致CPU技術(shù)回歸標(biāo)準(zhǔn)化,。如今，石油和天然氣中的預(yù)測和模擬仍然很重要,，地震成像大多在CPU和GPU上完成,，但FPGA的機(jī)會仍然存在。我們需要注意的是,，“今天的新事物是明天的遺產(chǎn)”,，當(dāng)然，如今的新事物是對AI和數(shù)據(jù)的關(guān)注,。

　　盡管如此,，F(xiàn)PGA仍然是一種快速進(jìn)入市場的方式，是獲得競爭優(yōu)勢的簡單方法以及在許多關(guān)鍵任務(wù)情況下必不可少的技術(shù)——盡管與ASIC相比,，芯片價格昂貴,。然而，在與CPU或GPU上運(yùn)行軟件相比,，在HPC和數(shù)據(jù)中心中,，F(xiàn)PGA的運(yùn)營成本大大降低。與CPU和GPU相比,，所需的FPGA更少,，所需的冷卻也更少。FPGA使得數(shù)據(jù)中心規(guī)模更小,，這觸及了運(yùn)營商擔(dān)心數(shù)據(jù)中心可能會縮小的神經(jīng),。

　　ASIC與FPGA

　　使用FPGA的另一種方法是增強(qiáng)ASIC。構(gòu)建ASIC的目的是保持固定功能,，同時添加FPGA,，為產(chǎn)品的最新更改或適應(yīng)不同市場提供一定的靈活性。

　　現(xiàn)代FPGA集成了越來越多的硬功能,，變得越來越像ASIC,，而ASIC有時會在其設(shè)計中添加一些FPGA結(jié)構(gòu)，用于調(diào)試,、測試,、現(xiàn)場修復(fù)以及根據(jù)需要靈活地添加少量功能。

　　盡管如此,，ASIC團(tuán)隊(duì)一直在與FPGA概念抗?fàn)?。ASIC設(shè)計師問：“您想要什么功能？”如果回答是“我還不知道”,，他們會很不耐煩,。

　　無人駕駛汽車行業(yè)就是這樣一個新的戰(zhàn)場,。由于算法不斷變化，并且法律法規(guī)可能會在汽車進(jìn)入市場時發(fā)生變化,，需要駕駛員更新,，因此解決方案需要靈活。FPGA的時鐘頻率較低,，散熱片較小,，因此物理尺寸比CPU和GPU小。更低的功耗和更小的尺寸使FPGA成為顯而易見的選擇,。盡管如此,，GPU易于編程，并且不需要三天時間來實(shí)現(xiàn)布局和路線,，因此對FPGA形成了一定挑戰(zhàn),。

　　此外，至關(guān)重要的是能夠在汽車和云中運(yùn)行相同的代碼（主要用于模擬和測試）,，因此FPGA必須先在云中使用,，然后才能在汽車中使用。由于這些原因,，許多開發(fā)人員更喜歡GPU,。

　　FPGA的發(fā)展

　　FPGA在不斷發(fā)展。現(xiàn)代接口正試圖使FPGA更易于編程,，更加模塊化,，并與其它技術(shù)更加協(xié)作。FPGA支持AXI（高級可擴(kuò)展接口）總線,，這使它們更易于編程,，但也帶來了極大的效率低下，使得FPGA的性能降低,，最終競爭力大大降低,。學(xué)術(shù)工作方面，例如Eric Chung的關(guān)于“FPGA動態(tài)網(wǎng)絡(luò)”的論文有助于解決路由問題,，但這種先進(jìn)的思想尚未被業(yè)界所接受,。

　　FPGA如何實(shí)現(xiàn)連接？對于具有大量數(shù)據(jù)流的HPC工作負(fù)載,，可以使用PCI Express并部署通信隱藏技術(shù),。但是，像NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）這樣的小型工作負(fù)載如何能同時為大量用戶提供服務(wù)呢,。通常,，對于NFV和虛擬機(jī)加速而言,，F(xiàn)PGA必須直接連接到CPU,，并可能使用緩存一致性作為一種通信機(jī)制,，這是VMware最近研究的結(jié)果。當(dāng)然,，關(guān)鍵的功能是具備FPGA崩潰時CPU不崩潰的能力,，反之亦然。超標(biāo)量技術(shù)公司正在重新發(fā)現(xiàn)IBM大型機(jī)的時代需求,，從而將越來越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺,。

　　其它組織也有機(jī)會。在提供FPGA平臺時,，組織無需進(jìn)行ASIC開發(fā)的預(yù)算,，也無需了解最新的硅制造挑戰(zhàn)和解決方案，便可以開發(fā)電路,，并在其產(chǎn)品中建立競爭優(yōu)勢,，例如物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的新興計算機(jī)會，靠近傳感器,、顯示器,、或在數(shù)據(jù)流過時直接在線計算。

　　同時,，F(xiàn)PGA公司正在垂直向上推堆棧,，并將其推入CPU插槽，英特爾在該市場上占據(jù)主導(dǎo)地位,，其中包括針對NFV的特殊指令,。數(shù)據(jù)中心中新CPU和FPGA進(jìn)入的主要障礙不僅在于速度和成本，還在于所有可能的I/O設(shè)備的軟件和驅(qū)動程序的可用性,。

　　使FPGA在數(shù)據(jù)中心中工作的關(guān)鍵是使其易于使用——例如,，使用自動工具來驅(qū)動FPGA的使用而不會產(chǎn)生布局和布線困難。微軟率先在超標(biāo)量數(shù)據(jù)中心中使用FPGA來加速Bing,、NFV和AI算法,。Microsoft還構(gòu)建了抽象，特定于領(lǐng)域的語言和靈活的硬件基礎(chǔ)設(shè)施,。在商業(yè)上,，F(xiàn)PGA的主要問題是上市策略。

　　構(gòu)建新芯片然后開始考慮該軟件可能為時已晚,。如何通過調(diào)整硬件來適配軟件以及從現(xiàn)有軟件中獲取價值,？這也帶來了重新思考FPGA架構(gòu)的機(jī)會。但是,，值得警告的是：硅產(chǎn)業(yè)正在吞噬現(xiàn)金,。構(gòu)建ASIC是一種撲克游戲，多年來賭注不斷增加,。這是一場贏家通吃的比賽,，F(xiàn)PGA之類的威脅在比賽初期就被淘汰,。

　　FPGA正在為硅產(chǎn)業(yè)帶來額外的突增風(fēng)險。

　　利基技術(shù)

　　軟件設(shè)計師總是會說,，“如果它能在軟件中實(shí)現(xiàn),，它就會在軟件中實(shí)現(xiàn)”，而ASIC設(shè)計師會說,，“如果它能在ASIC中實(shí)現(xiàn),，它就會在ASIC中完成?！弊钣腥さ氖?，“如果可以用軟件完成，那么你就不必和那些像FPGA一樣思考的人打交道,?！迸c制造ASIC所需的龐大“軍隊(duì)”以及世界范圍內(nèi)的軟件程序員的數(shù)量相比，F(xiàn)PGA擁有一個很小的社區(qū),，其中包含許多有時表現(xiàn)古怪的程序員,。FPGA公司規(guī)模較小。FPGA社區(qū)也較小,。

　　英特爾正在推動FPGA的靈活性,。它遵循構(gòu)建硬件以運(yùn)行現(xiàn)有軟件的原則，并成為這一領(lǐng)域最成功的公司,。

　　FPGA可以比CPU和GPU更快,，但是行業(yè)和投資界的艱難教訓(xùn)是，在計算機(jī)存在的大部分時間里,，速度無關(guān)緊要,，而實(shí)時性也無關(guān)緊要。因此,，很少有僅為了速度而購買計算機(jī),。確實(shí)有這種情況，但這更多是隨機(jī)事件,，而不是一個建立業(yè)務(wù)的市場,。另外，F(xiàn)PGA沒有標(biāo)準(zhǔn),、開源,、友好的編程模型——因此，對于在所有FPGA芯片上均可工作或易于交叉編譯的FPGA程序,，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的市場,。Maxeler Technologies可以提供此類接口作為一種高級解決方案，但廣泛的行業(yè)采用需要信任,。為了從早期采用者發(fā)展到讓所有人受益,，信任需要數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域中既有供應(yīng)商的協(xié)調(diào)和支持,。

　　現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用程序人員說：“我不在乎它是什么，只是給我一種方法去做我想做的事情就行了,。”尚未廣泛探索的FPGA可能有哪些應(yīng)用領(lǐng)域,？對于實(shí)時計算,、制造業(yè)、無人機(jī)的計算機(jī)視覺,，這是FPGA的重量和功耗優(yōu)勢能展現(xiàn)的地方,。在衛(wèi)星上進(jìn)行硬件升級是非常昂貴的，因此FPGA提供了至關(guān)重要的長期靈活性,。FPGA需要找到一種能產(chǎn)生共鳴的產(chǎn)品,，并且它們必須易于編程，不只是硬件或軟件,，還包括生態(tài)系統(tǒng),。這是完整的解決方案。

　　超越當(dāng)前市場限制的一種方法是實(shí)時編譯和自動FPGA程序生成,。這說起來容易做起來難,，但隨著AI破壞了應(yīng)用程序空間，機(jī)會越來越多,。如今,，一切都由AI完成。甚至諸如石油和天然氣地震成像之類的傳統(tǒng)算法也都采用了AI,。我們需要用科學(xué)和工程解決方案來處理AI,。FPGA可能是一個很好的起點(diǎn)，可能最初是連接AI模塊,，然后將它們整合到FPGA架構(gòu)中,，例如Xilinx的下一代芯片——帶有AI架構(gòu)、CPU,、100G接口和FPGA單元都集成在同一個7納米芯片中,。

　　從另一個角度來看，隨著AI芯片產(chǎn)生并消耗大量數(shù)據(jù),，我們將需要FPGA來滿足需求并能迅速轉(zhuǎn)移輸出,。隨著用于所有AI處理的新型ASIC的面世，F(xiàn)PGA可以為AI芯片公司提供差異化服務(wù),。

　　預(yù)測

　　我們是否可以提前10或25年預(yù)測下述發(fā)展,？盡管世界在變化，但預(yù)測似乎保持不變,。

　　1.將會有成功的CPU+ FPGA服務(wù)器芯片,，或直接訪問CPU緩存層次結(jié)構(gòu)的FPGA,。有人說會有，有人說不會有,。

　　2. SoC（片上系統(tǒng)）FPGA芯片將不斷發(fā)展壯大,，推動醫(yī)療、下一代電信和汽車行業(yè)等,。

　　3.開發(fā)人員將使用FPGA做一些令人驚奇的事情,，讓世界變得更美好，但必須掩蓋內(nèi)部存在FPGA的事實(shí),。

　　4.將保留FPGA的名字,，并制造被稱為FPGA的芯片，但內(nèi)部的一切將完全不同,。

　　5.當(dāng)我們放棄（數(shù)據(jù)流）優(yōu)化以使FPGA易于編程時,，F(xiàn)PGA的性能將降低，因此它們將不再與CPU競爭,，而CPU總是更易于編程,。

　　6.將有具有動態(tài)路由、演進(jìn)互動以及運(yùn)行時靈活的數(shù)據(jù)移動的FPGA,。

　　7.放置和布線軟件以及FPGA頂部的完整軟件堆棧將是開源的,。Yosys和Lattice FPGA已經(jīng)開始努力。

　　8.所有半導(dǎo)體架構(gòu)都將與TPU,、GPU,、CPU、ASIC和FPGA組合成單個芯片,。一些可能是每個整體的組合,，其它將是每個部分的組合。

　　9.更多的芯片將集中在有限的應(yīng)用空間上,，而更少的集中在通用芯片上,。從某種意義上說，一切都變成了SoC,。

　　評論

　　本文解決了多少個沖突,，并創(chuàng)造了多少個新沖突？從這個意義上講,，沖突是對現(xiàn)有工作方式的挑戰(zhàn),。這種現(xiàn)有的做事方式可能會影響人們的思維方式，從而影響他們的行為方式,。但也許更重要的是,，這將影響開發(fā)者的謀生方式。