FPGA（現(xiàn)場(chǎng)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(gòu)買了這項(xiàng)技術(shù),，并著手創(chuàng)辦了針對(duì)ASIC仿真和教育市場(chǎng)的Xilinx,。（Zilog出自埃克森美孚石油公司,，因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代,，人們已經(jīng)開始擔(dān)心石油會(huì)在30年后枯竭，這一點(diǎn)在今天仍然適用）,。同時(shí),，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(shí)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(huì)使用FPGA來仿真芯片。

　　觸動(dòng)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(huì)占領(lǐng)最大的市場(chǎng)份額,。由于ASIC需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成,，F(xiàn)PGA提供了一個(gè)捷徑。電信設(shè)備的最初版本一般采用FPGA,，但FPGA高昂的價(jià)格引發(fā)了沖突,。

　　盡管FPGA的價(jià)格對(duì)ASIC仿真市場(chǎng)無關(guān)緊要，但對(duì)電信行業(yè)而言,，芯片的價(jià)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(jìng)爭(zhēng)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(shì),，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)于美國(guó)的FPGA影響華為提供5G電信設(shè)備。

　　FPGA價(jià)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(shí)間建立多個(gè)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(dòng)了一個(gè)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(gè)基站都有SDR技術(shù),。

　　另一方面，在國(guó)防界,，SDR是由大型國(guó)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(jià)格非常高,，以至于美國(guó)部分國(guó)防市場(chǎng)對(duì)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(hào)處理器）和嵌入式市場(chǎng)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(shí)甚至?xí)芙^提供服務(wù)好幾個(gè)月。鑒于FPGA產(chǎn)品具有巨大的覆蓋率和知識(shí)產(chǎn)權(quán)層而無法降低其價(jià)格,，因此,，發(fā)展FPGA市場(chǎng)的壓力一直是巨大的，F(xiàn)PGA公司征服新市場(chǎng)失敗的規(guī)模也是如此,。

　　觸動(dòng)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(jì)算）和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)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(gòu)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(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心使用FPGA時(shí),，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(shí)間,，在大型FPGA和高速CPU服務(wù)器上，布局和布線需要長(zhǎng)達(dá)三天,，而且很多時(shí)候即使在使用三天后,，很多軟件仍無法解決映射問題。

　　觸動(dòng)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(gè)利基市場(chǎng),。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬地球上的鉆孔以發(fā)現(xiàn)石油所花費(fèi)的時(shí)間比實(shí)際建造的鉆井場(chǎng)地和鉆井本身還要長(zhǎng)，F(xiàn)PGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒時(shí)序,。石油公司數(shù)據(jù)中心中的第一個(gè)FPGA,，用于計(jì)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(cè)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(huì)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(duì)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(chǎng)的方式，是獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的簡(jiǎn)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(jià)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(yíng)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(yíng)商擔(dān)心數(shù)據(jù)中心可能會(huì)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(shí)添加FPGA,，為產(chǎn)品的最新更改或適應(yīng)不同市場(chǎng)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(shí)會(huì)在其設(shè)計(jì)中添加一些FPGA結(jié)構(gòu),，用于調(diào)試,、測(cè)試,、現(xiàn)場(chǎng)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(jì)師問：“您想要什么功能？”如果回答是“我還不知道”,，他們會(huì)很不耐煩,。 無人駕駛汽車行業(yè)就是這樣一個(gè)新的戰(zhàn)場(chǎng)。由于算法不斷變化,，并且法律法規(guī)可能會(huì)在汽車進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)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(shí)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(shí)間來實(shí)現(xiàn)布局和路線,，因此對(duì)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(cè)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?，F(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(jí)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(jìng)爭(zhēng)力大大降低,。學(xué)術(shù)工作方面，例如Eric Chung的關(guān)于“FPGA動(dòng)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(duì)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(shí)為大量用戶提供服務(wù)呢。通常，對(duì)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(shí)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(shí)代需求，從而將越來越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái),。 其它組織也有機(jī)會(huì),。在提供FPGA平臺(tái)時(shí)，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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),，例如物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的新興計(jì)算機(jī)會(huì),，靠近傳感器、顯示器,、或在數(shù)據(jù)流過時(shí)直接在線計(jì)算,。

　　同時(shí)，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(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，其中包括針對(duì)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(dòng)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(dòng)工具來驅(qū)動(dòng)FPGA的使用而不會(huì)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(shí)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(jià)值？這也帶來了重新思考FPGA架構(gòu)的機(jī)會(huì),。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(chǎng)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(xiǎn)。

　　利基技術(shù)

　　軟件設(shè)計(jì)師總是會(huì)說,，“如果它能在軟件中實(shí)現(xiàn),，它就會(huì)在軟件中實(shí)現(xiàn)”，而ASIC設(shè)計(jì)師會(huì)說,，“如果它能在ASIC中實(shí)現(xiàn),，它就會(huì)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(gè)很小的社區(qū),，其中包含許多有時(shí)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(dòng)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(jì)算機(jī)存在的大部分時(shí)間里，速度無關(guān)緊要,，而實(shí)時(shí)性也無關(guān)緊要,。因此，很少有僅為了速度而購(gòu)買計(jì)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(gè)建立業(yè)務(wù)的市場(chǎng),。另外,，F(xiàn)PGA沒有標(biāo)準(zhǔn)、開源,、友好的編程模型--因此,，對(duì)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(chǎng),。Maxeler Technologies可以提供此類接口作為一種高級(jí)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,?！鄙形磸V泛探索的FPGA可能有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？對(duì)于實(shí)時(shí)計(jì)算,、制造業(yè),、無人機(jī)的計(jì)算機(jī)視覺，這是FPGA的重量和功耗優(yōu)勢(shì)能展現(xiàn)的地方,。在衛(wèi)星上進(jìn)行硬件升級(jí)是非常昂貴的,，因此FPGA提供了至關(guān)重要的長(zhǎng)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(chǎng)限制的一種方法是實(shí)時(shí)編譯和自動(dòng)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(huì)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(gè)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(gè)7納米芯片中。 從另一個(gè)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(cè)

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

　　1.將會(huì)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(huì)有,，有人說不會(huì)有。

　　2. SoC（片上系統(tǒng)）FPGA芯片將不斷發(fā)展壯大,，推動(dòng)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(shí),，F(xiàn)PGA的性能將降低，因此它們將不再與CPU競(jìng)爭(zhēng),，而CPU總是更易于編程,。

　　6.將有具有動(dòng)態(tài)路由、演進(jìn)互動(dòng)以及運(yùn)行時(shí)靈活的數(shù)據(jù)移動(dòng)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(gè)芯片。一些可能是每個(gè)整體的組合,，其它將是每個(gè)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。

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