在全球范圍內(nèi)，FPGA行業(yè)的主要市場份額常年被賽靈思和英特爾兩家公司牢牢掌握。隨著時間的積累，這兩家公司逐漸構(gòu)建起一道由上萬件核心技術(shù)專利組成的“護城河”，而這條護城河也成功阻止了很多FPGA公司進一步發(fā)展的腳步。一些存活下來的公司，比如Lattice和Microsemi，往往只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。

然而，今年5月底，一家名為Achronix的美國公司發(fā)布了一款名為Speedster7t的FPGA產(chǎn)品，主打高速網(wǎng)絡(luò)傳輸、機器學習加速等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場景既屬于FPGA的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，也包含了近年來正在蓬勃興起的FPGA全新應(yīng)用。很明顯，Achronix公司就是要借這款產(chǎn)品和賽靈思與英特爾等巨頭FPGA公司正面對決。

這家名字有些拗口的公司成立至今已有15年。在這些年里，Achronix從無到有、從小到大，逐漸發(fā)展起來，并在今天有了和巨頭FPGA公司一決高下的底氣。在接下來的文章中，老石將具體分析Achronix最新FPGA的性能特點，以及它的發(fā)展歷程對于我們國產(chǎn)FPGA行業(yè)有哪些啟示。

Achronix是誰

Achronix公司成立于2004年，總部位于美國硅谷的Santa Clara，在印度設(shè)有研發(fā)中心，在深圳也設(shè)有分支機構(gòu)。雖然距成立至今已有15年時間，Achronix目前仍然是一家私人公司，外界猜測其總?cè)谫Y金額大概在1.8億美元到2億美元之間。

值得注意的是，Achronix已于2017年第一季度實現(xiàn)盈利，其季度營收也由2016年第四季度的500萬美元，一年后躍升至4000萬美元，并成為當時世界上發(fā)展速度最快的半導體公司之一。

Achronix近年的飛速發(fā)展一方面得益于FPGA技術(shù)本身的不斷廣泛應(yīng)用，另一方面得益于它自身的技術(shù)進步。有意思的是，作為無晶圓廠芯片公司，Achronix曾由英特爾代工，發(fā)布了世界上首個基于FinFET技術(shù)的FPGA，甚至早于賽靈思以及后來被英特爾收購的FPGA第二大廠Altera。Achronix的這款FPGA，也是英特爾代工制造的首個FPGA。

除了“傳統(tǒng)”FPGA芯片產(chǎn)品之外，Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商，見下圖。在之前的文章曾經(jīng)介紹過，包括Facebook在內(nèi)的一些大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)據(jù)信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潛在客戶。

與傳統(tǒng)FPGA相比，eFPGA的最主要特點是能將可編程邏輯單元與其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在縮小芯片面積的同時降低系統(tǒng)功耗，如下圖所示。關(guān)于eFPGA的更多內(nèi)容，有興趣的讀者可以查看老石之前的文章《啥是eFPGA》，在本文不再贅述。

Speedster7t：對標Agilex和ACAP的全新FPGA

今年五月底新發(fā)布的Speedster7t系列FPGA，應(yīng)該算是Achronix的技術(shù)集大成者，這也給了Achronix叫板賽靈思和英特爾的信心和勇氣。事實上，這款FPGA的確有不少讓人眼前一亮的技術(shù)特點值得我們關(guān)注。

在工藝制程方面，Speedster7t將基于臺積電的7納米工藝制造，這與賽靈思的“ACAP”芯片使用的是相同的制造工藝。由于臺積電的7納米工藝與英特爾的10納米工藝屬于同代，因此Speedster7t在工藝制程上和英特爾的旗艦FPGA“Agilex”相比不落下風。

在芯片架構(gòu)方面，Achronix的這款FPGA最大的特點之一就是采用了遍布芯片的2D片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這與賽靈思的ACAP再一次不謀而合。

片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（NoC）是當前為了應(yīng)對帶寬瓶頸而逐漸興起的重要技術(shù)，在老石之前的文章中曾多次提及。特別是在高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，如5G、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，已經(jīng)開始需要FPGA線速處理高達400Gbps的以太網(wǎng)流量。如果使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，需要1024位寬的數(shù)據(jù)總線，并運行在724MHz的時鐘頻率下才能滿足帶寬要求。此外，可編程邏輯單元往往需要從芯片的不同位置傳輸數(shù)據(jù)，包括片上和片外的存儲器、以及特定的硬件加速模塊，如機器學習加速器等等。為了在片上進行大量數(shù)據(jù)傳輸和搬運，必須采用全新的片上網(wǎng)絡(luò)NoC技術(shù)。

在Speedster7t上采用了橫向和縱向的2D片上網(wǎng)絡(luò)，并使用256位寬的AXI總線實現(xiàn)，運行在高達2GHz的頻率下，從而提供單路512Gbps、總共20Tbps的片上網(wǎng)絡(luò)帶寬。

除了滿足帶寬要求，通過使用片上網(wǎng)絡(luò)還能將片上邏輯單元劃分成相對粗粒度的區(qū)域，從而極大降低布局布線算法的復雜度，也能提高時序收斂的速度。老石相信，片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會是未來FPGA架構(gòu)發(fā)展的一個重要方向。

此外，Speedster7t上集成了多個機器學習處理器（Machine Learning Processor – MLP），它可以支持不同定點數(shù)及浮點數(shù)的運算操作，如下圖所示。此外，這款FPGA還能在片上最多集成300Mb的內(nèi)存單元，以滿足人工智能和機器學習相關(guān)應(yīng)用的實現(xiàn)。雖然片上內(nèi)存的容量距離賽靈思UltraScale+系列高達500Mb的片上內(nèi)存還有一定差距，但已經(jīng)和英特爾Stratix10系列FPGA的片上內(nèi)存容量差不多。

除了片上網(wǎng)絡(luò)和機器學習處理器之外，Speedster7t還集成了很多高速接口，如PCIe Gen5、GDDR6、112Gbps SerDes等等，本文不再詳述。欲獲取這款FPGA更多的技術(shù)信息和資料，請在知識星球“老石談芯-進階版”查看。

Achronix的發(fā)展歷程對國產(chǎn)FPGA的重要啟示

Achronix歷時15年的發(fā)展，從無到有，從小到大，直到今天能和兩大FPGA巨頭公司一較高下，這其中有著很多值得我們國產(chǎn)FPGA公司借鑒的啟示和經(jīng)驗。

首先，技術(shù)的發(fā)展沒有捷徑，不要過分迷信“彎道超車”。Achronix的技術(shù)積累并非一蹴而就，而是需要長達十幾年的時間不斷沉淀和創(chuàng)新。特別是對于專利壁壘極高的FPGA產(chǎn)業(yè)，不論是芯片架構(gòu)、關(guān)鍵IP、高速接口等芯片硬件設(shè)計，還是FPGA設(shè)計工具和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，都不太可能通過一次次“彎道超車”實現(xiàn)。只有不斷在正確的賽道上積累和加速，才能像Achronix那樣，有朝一日在主流舞臺和那些主要玩家們同場競技。

第二，擁抱新技術(shù)、新方向。正如前文提到的，在Achronix的新一代FPGA上采用了片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機器學習處理器等諸多新技術(shù)，這些技術(shù)只有在賽靈思和英特爾的最高端FPGA中才有使用。這正說明了FPGA公司擁抱和使用最新技術(shù)的重要性。FPGA的發(fā)展一直遵循摩爾定律，而這些新科技和新方向，也使得FPGA將摩爾定律不斷延續(xù)。

第三，離開“舒適區(qū)”，敢于對決的勇氣。和Lattice、Microsemi等其他FPGA公司不同，Achronix選擇在人工智能、高速網(wǎng)絡(luò)處理等領(lǐng)域和傳統(tǒng)FPGA巨頭硬剛，其自信和勇氣就著實令人佩服。對于我國的FPGA公司，也應(yīng)該努力走出自己的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，向不斷蓬勃涌現(xiàn)的新興FPGA應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)起沖擊。