在异构计算时代下FPGA的演变与创新

2019-01-23
14:00:18
来源: 半导体行业观察

集成电路芯片是工业的粮食,是制造所有电子产品的基本器件。集成电路技术顶峰的四大高端通用芯片包括:CPU(中央处理器)、DSP(数字信号处理器)、FPGA (现场可编程逻辑门阵列)和 Memory(存储器)。

作为制造业大国,中国近几年每年进口集成电路芯片超过2000亿美元,2018 年甚至突破 3000 亿美元,是中国最大宗的外汇进口商品。然而中国高端通用芯片的自给率不到 10%,为国内的集成电路企业提供了巨大的市场发展空间。中国政府已将发展民族集成电路产业作为国家战略,设立了 1380亿的第一期国家集成电 路产业发展基金,第二期大基金已经募集超 2000亿元。许多地方政府也各自设立了数百亿元的地方产业基金,同时国家制定政策扶持国产芯片替代进口芯片,有力地提高了中国集成电路企业上下游的产品竞争优势。

可编程FPGA技术于上个世纪80年代初由美国赛灵思Xilinx公司发明。近40年来,先后有超过60家以上的公司从事过FPGA技术与产品的研发,其中包括Intel、IBM、AMD、TI、GE、AT&T、摩托罗拉、朗讯、三星、东芝、飞利浦等实力雄厚的大公司,但绝大多数在耗费了上亿美元后功亏一篑!目前全球仅存的四家 FPGA上市公司全部位于美国硅谷。欧洲、日本、韩国、台湾等经济强国或地区尚未真正掌握其核心技术!FPGA芯片产业几乎 100%被美国垄断。显然,中国FPGA芯片99%以上也都依赖于进口。中国还未形成自己的FPGA产业。

目前全球仅4家FPGA上市公司,且均在美国。其中美国前两大公司赛灵思 Xilinx和英特尔Inte l (2015年花了167亿美金巨资收购了第二大FPGA厂商Altera) 对FPGA技术和产品占绝对垄断地位,市场占有率近 90%。国内使用的FPGA芯片基本全部依赖于进口。美国政府对我国FPGA产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运,使得我国在通信电力、安防监控、国防军工、航空航天、国家安全以及新一代信息技术等领域都受到严重制约。华为、中兴是全球FPGA芯片的最大客户,每年采购数亿美金的FPGA芯片。2018 年 4 月美国制裁中兴事件,其中被禁运的核心芯片之一就有FPGA。前几年中国背景的投资机构试图花大代价收购美国第三家 FPGA企业,但先后被两届美国政府以影响国家安全与战略为由多次否掉。因此,研发自主可控的FPGA技术与产品对打破美国在FPGA行业的垄断意义深远。

作为经济建设和国家安全各个领域不可或缺的关键器件之一,FPGA对中国电 子产业的发展至关重要。拥有FPGA 技术的产品具备可编程、自重构、易扩展、广适用、多集成、高可靠、强算力、长周期等特点。其竞争优势是当终端产品或整机使用 FPGA 作为核心芯片时,能通过“应用驱动软件,软件编程硬件、硬件重构平台、平台实现系统”的方式,自适应并安全地调整顶层及中间层的软件代码、重构底层的硬件电路,快速适配市场应用领域的差异化需求。基于 FPGA  技术的独特优势,其应用领域也非常之广,涉及通信设备、网络交换、工业控制、金融设备、安防监控、视频驱动、医疗仪器、汽车电子、家用电器、定位导航、火箭卫星、导弹雷达、电子对抗,以及人工智能、机器人、大数据、云计算、物联网、可穿戴、自动驾驶、智能家居、智慧城市等各个产业领域。

FPGA经常会和ASSP(标准专用产品)、ASIC(专用集成电路)等芯片相比。但 FPGA一定是可定制可编程的,且产品上市时间周期非常快,写完程序就可以推广产品。一般而言,做新产品设计的时候,首先就会用FPGA来做。工具、研发费用总体下来不会太贵,风险也比较低,相当于仅是投入了工程实现的成本开销。另外,对于一些正在兴起的非标准化的应用,FPGA 是非常合适的;但是对于应用需求量大,高性能要求高、低成本要求低的产品,FPGA 是不太合适的。相对而言, ASSP 和 ASIC 有它相应的优势。

从产品化角度来讲,在开始阶段我们使用了FPGA,后续就是降成本ASIC 化,这是惯用的思维,也是通常的做法。但是随着技术的演进,FPGA发生了一些改变。从90年代末到2010年后的这十年间,很多客户开始做方案设计,大部分都是用ASIC方式,可随着时间的推移逐年减少。也就是说虽然做 ASIC总量设计的个数大于用FPGA做产品的,但是趋势是下降的。另外一个方面来看,1999年之前没有异构计算这种模式,但2000年后就有一部分的客户或开发团队就开始使用微处理器和FPGA协同设计的方法。在随后几年推出的FPGA上,方案中经常需要运行软的微处理器。所以,可以看到这种异构计算的设计模式越来越多,之后将微处理器单元形成了固化的 IP,集成到FPGA中,变成了微处理器加FPGA系统,即不久 FPGA厂商就推出了 ARM作为硬核的CPU加FPGA可编程的SoC产品。

FPGA也从麻雀变成了凤凰,原来FPGA仅做一些块逻辑,进行简单的运算。到了2000年以后,出现了一些简单处理系统平台的较为复杂逻辑。2008年到2016 年,一些面向领域的优化的系统功能放在FPGA上实现。2012年左右出现了微处 理器集成,同时集成更多的处理运算功能。现在开发者在实现方案时经常面向应用领域去做,既要考虑专用,也要考虑通用。在特别固定的应用中,ASIC一定是最经济划算的。但在不是特别清楚的应用功能情况下,开发者会偏向于使用FPGA。另外,现在的FPGA具备小型化、低功耗、低成本、高性能的特性,在一些消费终端(如移动手机)等市场,也有 FPGA 身影。

随着人工智能AI(Artificial Intelligence)、大数据(Big Data)、云计算(Cloud Computing)、数据中心(Data Center)、ADAS、物联网、机器人、可穿戴等新兴市场应用需求的日益细分和大力发展,以新型的  CPU+GPU、CPU+FPGA、GPU+FPGA、固化深度学习算法的人工智能专有芯片(如TPU、NPU等)的混合计算架构逐渐取代传统单一计算模式的架构,成为集成电路领域应用发展的主流方向之一。

AI进入爆发期,核心芯片是关键。人工智能技术体系分为基础层、技术层与应用层,其中基础层的核心处理芯片和大数据是支撑AI技术发展的关键要素。AI芯片市场规模2016年达23.88亿美元,据测算,2020年可达 146.16亿美元,5年复合年均增长率CAGR达 43.67%。目前 AI 的核心算法是深度学习,其“训练”部分主要在云端(服务器端)进行,主要使用GPU 进行模型训练;而“推断”部分则在云端(中间端)和终端(产品端)分别进行,大量使用FPGA进行异构加速。两大过程对芯片要求极高,传统类型的芯片(如CPU)计算力显然不足,研发具备新架构特点的芯片(CPU+GPU、CPU+FPGA等)将成为未来 AI、大数据与云计算发展的基石之一。

因此,将CPU、GPU、DSP、FPGA、Memory等多种异构单元集成在同一芯片上并具有HSA(Heterogeneous System Architecture)混合可编程模式的异构计算芯片将代表着集成电路产业新的发展趋势之一,其市场规模将迅速超过几百亿,而随之衍生的产品模块、应用方案的市场规模将达千亿。得益于混合架构,这类芯片硬件结构可通过软件来定义,产品能跟随市场的需求发展而相应变化。相比传统专用芯片平均2年的生命周期,应用于多个产业链的新型异构可编程计算芯片 的生命周期可长达10年。

京微齐力科技有限公司(含前身公司)是国内最早从事自主可控 FPGA 芯片设计的单位之一,曾被誉为中国 FPGA 领域的“黄埔军校”,公司培养了数百名高端

FPGA专业人才。同时公司也是国内最早进入自主研发、规模生产、批量销售具有 HSA基础架构的MCU/CPU+FPGA混合可编程计算芯片的企业之一,其产品将通用芯片CPU、MCU、FPGA、Memory以及面向领域的专用模块 ASIC、AI等多种单元异构集成在同一芯片上,形成未来最具市场与技术前景的特定领域芯片DSSoC (Domain-Specific SoC)和软件定义硬件芯片 SDH(Software Defined Hardware)的相关产品。

公司核心团队是十二五核高基国家科技重大专项课题(FPGA研制与产业化应用)的主要研发人员,独立设计多颗不同系列(低成本,低功耗、高性能、高容量) 的FPGA和可编程SoC芯片。经过十年磨一剑的技术研发积累,公司完成了从技术到产品、从产品到产业的全过程,形成了“技术积累最长,知识产权最多,芯片产品最多,工具链最完整”的核心竞争优势,填补了中国 FPGA 技术的空白。公司拥有近200件发明专利和专有技术(含国际专利),涵盖了FPGA内核、异构计算架构、芯片设计、EDA软件工具、应用 IP等可编程计算芯片中的全部技术领域。公司的FPGA芯片产品从中低规格,向中高规格迈进,在设计中寻求创新,结合应用需求实现差异化,形成有特色的国产FPGA芯片。

公司已量产的多颗中低逻辑资源的可编程 FPGA和SoC芯片,被广泛应用于经济发展和信息安全的相关领域中。基于创新的可编程技术,公司正在创新地研发新一代的可编程处理单元、可重构计算单元,以及性能优化的多层次快速布线结构等核心技术,并申请多项与AI技术结合的国内外核心专利,以打破国际巨头未来在可编程芯片与应用产业领域的垄断地位。公司新一代面向人工智能/智能制造等新兴应用领域的高端FPGA芯片,包括可编程AI芯片 AiPGA(AI in FPGA)、异构计算平台芯HPA(Heterogeneous Platform Accelerator)、以及嵌入式可编程核eFPGA IP(embedded FPGA core),其市场将涵盖新型云端服务器、物联网、消费类智能终端以及国家通信/工业/电力/医疗等核心基础设施。

高端通用FPGA及新一代异构可编程计算芯片被公认是一项具有颠覆性技术的 世界级项目。公司正在实现自主创新+自主品牌的国产FPGA芯片及衍生技术,构建完备的FPGA+应用生态圈。在国家信息安全的关键技术及市场发展的主导权不能受制于人的现实需求面前,有一些技术可以没有,但FPGA 技术中国必须拥有!

中国政府空前重视信息安全产品的自主可控和国产替代,党政机构和关键行

业市场对国产集成电路芯片的需求逐渐释放。国产CPU、DSP、FPGA、Memory已经成为攻克高端通用芯片的关键领域。在自主可控的产业背景下,在新兴应用快速推动的情况下,中国发展具有独立完整自主知识产权的国产高端通用芯片和异构计算芯片是提高信息产业自主创新能力、转变经济增长方式的重要手段。基于信息安全与市场利益的考虑,多年来唯一能自主设计并大规模生产最先进高端通用芯片的美国,仍然不断投入更多资源和资金致力于高端芯片的设计与研制。当前全球集成电路的发展呈现融合互动、综合竞争、跨越创新的特点,高端芯片的竞争已不单纯是芯片自身的竞争,更多地体现在其芯片基础架构上的创新,上下游产业生态系统的竞争上。每一位从业者任重而道远!

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