自FPGA誕生以來,，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）就引起了人們的關(guān)注,。在1980年代中期,，Ross Freeman和他的同事從Zilog購買了該技術(shù),，并創(chuàng)建了Xilinx,，目標(biāo)是ASIC仿真和教育市場,。（Zilog來自?？松?，因為在1970年代人們已經(jīng)擔(dān)心石油將在30年后用盡，今天仍然如此）,。同時,，Altera以類似技術(shù)為核心成立。

　　FPGA是一種由電路編程的芯片,。它被稱為“模擬”電路,。這個模擬比實際電路運(yùn)行的速度要慢，如果它是在ASIC中實現(xiàn)的話——它具有較慢的時鐘頻率并使用更多的功率,，但是它可以每幾百毫秒重新編程一次,。

　　制造ASIC的人們開始使用FPGA來仿真ASIC,，然后再將其應(yīng)用到掩模上并發(fā)送到工廠進(jìn)行制造。英特爾,，AMD和許多其他公司在制造之前使用FPGA來仿真其芯片,。

　　觸動了電信行業(yè)的神經(jīng)

　　電信行業(yè)一直大量使用FPGA。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需要花費(fèi)很長時間才能制造,，因此FPGA提供了捷徑的機(jī)會,。最初的電信設(shè)備版本開始采用FPGA，這引發(fā)了FPGA價格沖突,。盡管FPGA的價格與ASIC仿真市場無關(guān)緊要,，但電信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不具有競爭優(yōu)勢,。

　　如今，華為已成為FPGA的最大客戶,。中美之間最近的緊張關(guān)系可能始于美國的FPGA，這使得華為在兩年前世界上任何其他廠商都準(zhǔn)備好開始競爭之前,，就在提供5G電信設(shè)備方面擁有優(yōu)勢,。

　　FPGA的價格觸及了神經(jīng)

　　早期，F(xiàn)PGA被用于SDRs（軟件定義的無線電）,，同時構(gòu)建了可同時用于許多不同標(biāo)準(zhǔn)的通信的無線電,，實質(zhì)上只有一部電話能說多種語言。這次,，F(xiàn)PGA觸手可及,。SDR技術(shù)的實施方式存在分歧。商業(yè)供應(yīng)商開發(fā)了具有成本效益的解決方案,，如今地球上的每個基站都具有SDR技術(shù),。另一方面，在國防界,，SDRs是由大型國防承包商建造的,，他們要保護(hù)的是利潤豐厚的傳統(tǒng)產(chǎn)品線。結(jié)果是基于FPGA的無線電產(chǎn)品的價格過高,，以致美國國防市場的一部分對其使用產(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。在角落里幾乎沒有硬微處理器的FPGA開始出現(xiàn),。銷售這些新的FPGA的壓力是如此之大,，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^服務(wù)幾個月,。鑒于FPGA產(chǎn)品因其巨大的表面積和知識產(chǎn)權(quán)層而無法降低價格，因此,，發(fā)展FPGA市場的壓力一直而且仍然是巨大的,，F(xiàn)PGA公司征服新市場的失敗的規(guī)模也是如此。

　　在HPC和數(shù)據(jù)中心中觸及神經(jīng)

　　在過去的幾年中,，F(xiàn)PGA試圖在HPC（高性能計算）和數(shù)據(jù)中心市場中發(fā)展,。2017年，微軟宣布在數(shù)據(jù)中心中使用Altera FPGA,，而英特爾則收購了Altera,。2018年賽靈思公司宣布其“數(shù)據(jù)中心首先”戰(zhàn)略，賽靈思CEO在分析師面前宣布,，賽靈思不是FPGA公司了,。這可能是一種輕微的戲劇化，但從歷史上看是相關(guān)的,。

　　在HPC和FPGA的數(shù)據(jù)中心使用中,，當(dāng)今的主要障礙是布局和布線 -運(yùn)行將電路映射到FPGA元件的專有FPGA供應(yīng)商軟件所花費(fèi)的時間。在大型FPGA和快速CPU服務(wù)器上,，布局和布線最多需要三天,，甚至三天后，很多次軟件仍無法找到映射,。

　　觸及石油和天然氣中的神經(jīng)

　　然而,，在石油和天然氣的實施中，2007年左右有了一個利基市場,。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)的時間比鉆探現(xiàn)場的實際建筑和鉆探本身更長,。FPGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒的時序。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Maxeler Technologies制造，并交付給Chevron,。

　　在石油和天然氣中,，F(xiàn)PGA的使用擴(kuò)展了幾年，直到ASIC行業(yè)的壓力導(dǎo)致其恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)CPU技術(shù),。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,。這提醒我們,，“今天的新事物是明天的遺產(chǎn)”，當(dāng)然,，今天的新事物是AI,，并且專注于數(shù)據(jù)。

　　盡管如此,，F(xiàn)PGA仍然是一種快速上市的方式,，一種獲得競爭優(yōu)勢的簡單方法以及許多任務(wù)關(guān)鍵情況的必不可少的技術(shù)-盡管與ASIC相比，每塊芯片價格昂貴,。但是,，與在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,。所需的FPGA更少，與CPU和GPU相比,，所需的散熱更少,。FPGA使得數(shù)據(jù)中心更小，從而使運(yùn)營商感到不安,，他們擔(dān)心自己的數(shù)據(jù)中心可能會縮小,。

　　ASIC與FPGA

　　使用FPGA的另一種方法是補(bǔ)充ASIC。構(gòu)建ASIC的目的是保持固定功能,，同時增加FPGA,，以為產(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件功能,，并且變得越來越像ASIC,，而ASIC有時會在其設(shè)計中添加一些FPGA結(jié)構(gòu),，以進(jìn)行調(diào)試,，測試，現(xiàn)場修復(fù)以及根據(jù)需要添加少量功能的靈活性,。

　　盡管如此,，ASIC團(tuán)隊一直在與FPGA概念抗?fàn)帯SIC設(shè)計師問：“您想要什么功能,？” 如果回答是“我還不知道”,，他們就會不耐煩。

　　無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)就是這樣的新戰(zhàn)場,。由于算法不斷變化,，并且法律法規(guī)可能會在汽車駛?cè)氍F(xiàn)場時發(fā)生變化,，因此需要更新駕駛員，因此解決方案必須具有靈活性,。FPGA的時鐘頻率較低,，因此散熱片較小，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更易于編程,，并且不需要三天的布局和路線,。

　　此外，能夠在車內(nèi)和云中（主要用于模擬和測試）運(yùn)行相同的代碼是至關(guān)重要的,，因此FPGAs必須先在云中可用,，然后才能在車內(nèi)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正在不斷發(fā)展。現(xiàn)代接口正試圖使FPGA易于編程,，更加模塊化,，并與其他技術(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,，但同時也帶來了極大的效率低下，并使FPGA的性能下降,，最終使競爭力下降,。學(xué)術(shù)工作，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,，但是這種先進(jìn)的思想尚未為業(yè)界所接受。

　　FPGA如何連接,？對于具有大量數(shù)據(jù)流的HPC工作負(fù)載,，您可以使用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)載卻可以同時為大量用戶提供服務(wù),。通常，對于NFV和虛擬機(jī)加速,，F(xiàn)PGA必須直接連接到CPU,，可能使用緩存一致性作為一種通信機(jī)制，這是VMware最近調(diào)查的結(jié)果,。當(dāng)然,，關(guān)鍵特性是能夠使FPGA崩潰而不使CPU崩潰,，反之亦然。超標(biāo)量技術(shù)公司正在從IBM大型機(jī)時代重新發(fā)現(xiàn)需求,，從而將越來越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺,。

　　群眾也有機(jī)會。在提供FPGA平臺時,，沒有ASIC開發(fā)預(yù)算且不了解最新芯片制造挑戰(zhàn)和解決方案的組織可以開發(fā)電路并在其產(chǎn)品中建立競爭優(yōu)勢,，例如在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)邊緣、靠近傳感器,、顯示器或僅在數(shù)據(jù)線上在線計算的新機(jī)會,。

　　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，例如,，包括針對NFV的特殊說明,。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)鍵是使它們易于使用—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，特定于域的語言和靈活的硬件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),。在商業(yè)上,，F(xiàn)PGA的主要問題是上市策略。

　　制造新芯片,，然后開始考慮該軟件為時已晚,。而如何通過使硬件適合該軟件來從現(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,，要提一個警告：硅產(chǎn)業(yè)吞噬了現(xiàn)金。構(gòu)建ASICs是一種撲克游戲,，多年來賭注不斷上升,。這是一場贏家通吃的比賽,，F(xiàn)PGAs之類的威脅在比賽初期就被消除了,。

　　FPGA正在為硅項目帶來額外的不良風(fēng)險。

　　利基技術(shù)

　　雖然軟件設(shè)計人員總是會說：“如果可以通過軟件完成,，則將通過軟件來完成,，” ASIC設(shè)計人員將說：“如果可以通過ASIC完成,，則將通過ASIC完成?！?最有趣的是,，“如果可以用軟件完成，那么您就不必與認(rèn)為像FPGA的人打交道了,?！?與制造ASIC所需的軍隊以及世界范圍內(nèi)的軟件程序員相比，F(xiàn)PGA擁有一個很小的社區(qū),，其中包含許多有時是古怪的程序員,。FPGA公司很小。FPGA社區(qū)很小,。

　　英特爾正在推動FPGA的靈活性,。它是遵循構(gòu)建硬件以運(yùn)行現(xiàn)有軟件的原則的最成功的公司。

　　fpga可以比cpu和gpu更快,，但是從工業(yè)界和投資界得到的慘痛教訓(xùn)是,，在計算機(jī)存在的大部分時間里，速度并不重要,，實時性也不重要,。因此，僅僅為了速度而購買電腦是很少見的,。它會發(fā)生,，但它更多的是一個隨機(jī)事件，而不是一個建立業(yè)務(wù)的市場,。此外,，F(xiàn)PGA沒有標(biāo)準(zhǔn)的、開源的,、令人愉快的編程模型——因此,，對于在所有FPGA芯片上工作或可以輕松交叉編譯的FPGA程序，沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的市場,。Maxeler技術(shù)提供了一個高級解決方案來提供這樣的接口,，但是廣泛的行業(yè)采用需要信任。要從早期采用者受益到惠及每個人,，信任需要數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域中現(xiàn)有供應(yīng)商的一致和支持,。

　　現(xiàn)實世界中的應(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,?！?尚未廣泛探索的FPGA可能有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？對于實時計算，有制造,。對于無人機(jī)的計算機(jī)視覺,，這是FPGA的重量和功耗優(yōu)勢。在衛(wèi)星上,，進(jìn)行硬件升級非常昂貴,，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)生諧振的產(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)前市場范圍的一種方法是實時編譯和自動FPGA程序生成。這說起來容易做起來難,，但是隨著AI撕毀應(yīng)用程序空間的機(jī)會越來越大,。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)算法都采用了AI,。需要科學(xué)和工程解決方案來處理AI塊。FPGA可能是一個很好的起點,，可能首先是連接AI模塊,，然后將它們合并到FPGA架構(gòu)中，例如Xilinx的下一代芯片,，而AI架構(gòu),，CPU，100G接口和FPGA單元都在同一個7納米芯片中,。

　　從另一個角度來看,，隨著人工智能芯片產(chǎn)生和消耗大量數(shù)據(jù)，fpga將需要滿足這個龐大的需求,，并將輸出快速移走,。隨著人工智能處理的新ASIC的出現(xiàn)，fpga可以為人工智能芯片公司提供差異化,。

　　預(yù)測

　　以下的發(fā)展在10年或25年前就能預(yù)測到嗎,？雖然世界在變化，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緩存層次的FPGA。有人說可以,，有人說不可以,。

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

　　3.開發(fā)人員將使用FPGA來做令人驚奇的事情并使世界變得更美好，但必須掩蓋內(nèi)部存在FPGA的事實,。

　　4.將保留FPGA名稱,，并構(gòu)建稱為FPGA的芯片，但是內(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,，后者將始終易于編程,。

　　6.將會有具有動態(tài)路由，不斷發(fā)展的互連以及運(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,。其他將是每個部分的組合。

　　9.更多的芯片將專注于有限的應(yīng)用空間,，而更少的通用芯片,。從某種意義上說，一切都變成了SoC,。

　　最后評論

　　本文解決了多少個沖突,，并且創(chuàng)建了多少個新沖突？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,。但是,，也許更重要的是，這將影響我們的開發(fā)商如何謀生,。