全球最大容量FPGA記錄被再度刷新。

早前，已有一些客戶陸續(xù)收到Intel一款號(hào)稱全球容量最大的FPGA樣品。近日，Intel正式宣布這款Stratix 10 GX 10M FPGA已量產(chǎn)，它擁有1020 萬(wàn)個(gè)邏輯單元，433億顆晶體管，采用14nm制程，是目前已發(fā)布的全球密度最高的FPGA產(chǎn)品，是上一代Stratix 10 GX 1SG280 FPGA 密度的 3.7 倍，實(shí)現(xiàn)I/O 2倍擴(kuò)展，功耗降低40%。

這一產(chǎn)品的推出，打破了Xilinx全球三代最大容量FPGA的保持紀(jì)錄，其最新一代大容量FPGA是今年夏天推出的Virtex UltraScale+ VU19P，采用16nm工藝，基于Arm架構(gòu)，擁有350億顆晶體管。

誰(shuí)在推動(dòng)FPGA容量不斷攀高？

FPGA（Field－Programmable GateArray）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，由于其硬件并行加速能力和可編程特性，在傳統(tǒng)通信領(lǐng)域和IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域很受歡迎。特別是伴隨著全球通信市場(chǎng)的發(fā)展壯大，F(xiàn)PGA以“萬(wàn)金油”的優(yōu)勢(shì)迅速找到了用武之地，成為數(shù)字系統(tǒng)中的通用組件。

FPGA潛力之巨大、前景之誘人，使得當(dāng)時(shí)不乏IBM、摩托羅拉、飛利浦這些行業(yè)巨頭前仆后繼去嘗試，但由于其開發(fā)門檻太高，沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)積累和長(zhǎng)時(shí)間的投入，很難形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。最終僅以美國(guó)硅谷四家公司Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi為代表，牢牢占領(lǐng)著主要份額，并鑄就了高聳的專利圍墻。2015年6月，Intel以167億美元收購(gòu)全球第二大FPGA廠商Altera，才算正式進(jìn)入這一市場(chǎng)，這也創(chuàng)下了Intel有史以來(lái)最貴的一筆收購(gòu)。

伴隨5G、AI等發(fā)展，F(xiàn)PGA在推動(dòng)創(chuàng)新方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著，主要體現(xiàn)在三方面：它可以作為先進(jìn)的多功能加速器；憑借其靈活性能夠打造出高度差異化的產(chǎn)品；其硬件可編程性能夠滿足不斷變化的市場(chǎng)要求和標(biāo)準(zhǔn)。

而除此之外，F(xiàn)PGA在另一個(gè)領(lǐng)域的需求也水漲船高。

一顆芯片從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)，流片環(huán)節(jié)占據(jù)大額支出。芯片完全設(shè)計(jì)出來(lái)后，需要按照?qǐng)D紙?jiān)诰A上進(jìn)行蝕刻，采用什么樣的制程工藝、多大尺寸的晶圓，以及芯片的復(fù)雜程度，都會(huì)影響這顆芯片的流片成功率。許多芯片往往需要進(jìn)行多次流片才能獲得較為理想的效果，這些失敗流片構(gòu)成了一大筆費(fèi)用支出。此外，當(dāng)芯片制造完成后，如果需要修復(fù)硬件設(shè)計(jì)缺陷，通常需要昂貴的重新設(shè)計(jì)的費(fèi)用以及額外的時(shí)間支出。特別是當(dāng)設(shè)備制造出來(lái)并交付給終端客戶的情況下，解決這些問(wèn)題的成本會(huì)更高，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金錢本身的估量。

正因?yàn)橐陨蠁?wèn)題帶來(lái)如此之高的風(fēng)險(xiǎn)，流片前的仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)越來(lái)越普及，因?yàn)樵陲L(fēng)險(xiǎn)如此之高的情況下，沒(méi)有哪個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)敢于忽視這項(xiàng)謹(jǐn)慎又必要的驗(yàn)證性投資。它能夠幫助半導(dǎo)體廠商在芯片制造前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免代價(jià)高昂的軟硬件設(shè)計(jì)缺陷，帶來(lái)數(shù)百萬(wàn)美元的費(fèi)用節(jié)省。

由于ASIC 仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)大幅降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。包括Intel在內(nèi)的很多大型半導(dǎo)體公司都開發(fā)了自定義原型設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)，并在流片前使用該系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證自身大規(guī)模、高復(fù)雜度、高風(fēng)險(xiǎn)的 ASSP 和 SoC 設(shè)計(jì)。

ASIC 仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持很多與 IC 和系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的工作，包括：

• 使用真實(shí)硬件的算法開發(fā)
• 芯片制造前的早期 SoC 軟件開發(fā)
• RTOS 驗(yàn)證
• 針對(duì)硬件和軟件的極端條件測(cè)試
• 連續(xù)設(shè)計(jì)迭代的回歸測(cè)試

那么，超大容量FPGA又能滿足哪些應(yīng)用需求？

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷的前進(jìn)、相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)模以及復(fù)雜度在飛速增長(zhǎng)，使得傳統(tǒng)的軟件仿真已不可能完全解決功能驗(yàn)證的問(wèn)題。而且一些需要處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用（如視頻）也越來(lái)越多，因此要求能夠在接近實(shí)時(shí)的條件下進(jìn)行功能驗(yàn)證。FPGA在實(shí)現(xiàn)高效的仿真和功能驗(yàn)證方面，被寄予厚望。

ASIC原型設(shè)計(jì)和仿真市場(chǎng)迫切需要容量更大的FPGA。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有數(shù)家供應(yīng)商提供商用現(xiàn)成 (COTS) ASIC原型設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)，對(duì)于這些供應(yīng)商而言，如果能夠?qū)⒏笕萘康腇PGA 用于其 ASIC 仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，就意味著他們能夠在盡可能少的 FPGA 設(shè)備中納入大型 ASIC、ASSP 和 SoC 設(shè)計(jì)。據(jù)了解，使用Intel最新的Stratix 10 GX 10M FPGA，能夠用于耗用億級(jí) ASIC 門的數(shù)字 IC 設(shè)計(jì)。

如下是該產(chǎn)品在ASIC原型設(shè)計(jì)、仿真，滿足具體的需求方面，與上一代產(chǎn)品相比帶來(lái)的性能提升：

超大容量FPGA是如何實(shí)現(xiàn)的？

Intel最新發(fā)布的這款元件密度極高的Stratix 10 GX 10M FPGA，是基于現(xiàn)有的Stratix 10 FPGA 架構(gòu)以及先進(jìn)的嵌入式多芯片互連橋接 (EMIB) 技術(shù)。正是通過(guò)EMIB 技術(shù)，才融合了兩個(gè)高密度Stratix 10 GX FPGA 核心邏輯晶片（每個(gè)晶片容量為 510 萬(wàn)個(gè)邏輯單元）以及相應(yīng)的 I/O 單元，這也是第一款使用 EMIB 技術(shù)將兩個(gè) FPGA構(gòu)造晶片在邏輯和電氣上實(shí)現(xiàn)整合的Intel的FPGA。數(shù)萬(wàn)個(gè)連接通過(guò)多顆 EMIB 將兩個(gè) FPGA 構(gòu)造晶片進(jìn)行連接，從而在兩個(gè)單片 FPGA 構(gòu)造晶片之間形成高帶寬連接。

可以說(shuō)，Intel推出這款世界上最大型的FPGA不僅僅是產(chǎn)品級(jí)的超越和創(chuàng)新，更是綜合實(shí)力的體現(xiàn)。

Intel網(wǎng)絡(luò)與自定義邏輯事業(yè)部副總裁兼 FPGA電源產(chǎn)品營(yíng)銷總經(jīng)理Patrick Dorsey在采訪中表示，獨(dú)有的封裝技術(shù)，以及能夠整合不同半導(dǎo)體晶片的能力，包括 FPGA、ASIC、eASIC 結(jié)構(gòu)化 ASIC、I/O 單元、3D 堆疊內(nèi)存單元和光子器件等。Intel具備將不同類型的設(shè)備整合到封裝系統(tǒng) (SiP) 中的能力，能夠滿足特定的客戶需求，這些先進(jìn)技術(shù)彼此結(jié)合，構(gòu)成了Intel獨(dú)特、創(chuàng)新且極具戰(zhàn)略性的優(yōu)勢(shì)。

此前，Intel已經(jīng)通過(guò)使用EMIB 技術(shù)將 I/O 和內(nèi)存單元連接到 FPGA 構(gòu)造晶片，從而實(shí)現(xiàn)了Stratix 10 FPGA 家族的規(guī)模和種類不斷擴(kuò)張。例如：Stratix 10 MX 集成了 8 GB 或 16 GB的 EMIB 相連的 3D 堆疊 HBM2 SRAM 單元，最近發(fā)布的Stratix 10 DX FPGA 則集成了 EMIB 相連的 P tile，具備 PCIe 4.0 兼容能力。

Stratix 10 GX 10M 的目標(biāo)受眾主要是ASIC 仿真和原型設(shè)計(jì)的客戶，賦能下一代5G、AI、網(wǎng)絡(luò)ASIC驗(yàn)證。Patrick Dorsey強(qiáng)調(diào)，由于在AI和5G領(lǐng)域很多中國(guó)企業(yè)已經(jīng)沖在前面，因此這款新品對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)而言非常重要。

高端FPGA未來(lái)拼什么？

回顧FPGA的發(fā)展，很大程度上是由工藝技術(shù)驅(qū)動(dòng)的，很容易把它的進(jìn)化看成是簡(jiǎn)單的容量發(fā)展。但事實(shí)遠(yuǎn)非如此。正如所有的半導(dǎo)體芯片一樣，它對(duì)于功耗、面積、成本、性能的追求永不止步，特別是在“異構(gòu)計(jì)算”盛行的現(xiàn)在，在其異構(gòu)平臺(tái)上資源整合的能力變得越來(lái)越重要。而除了硬件層面的不斷進(jìn)步，軟硬件的協(xié)同優(yōu)化非常關(guān)鍵，從某種程度上甚至可以說(shuō)，軟件工具的研發(fā)水平?jīng)Q定了硬件規(guī)模和性能所能達(dá)到的高度。

Intel在FPGA仿真和原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)方面，可提供Quartus Prime 軟件套件，該套件采用新款專用IP。面向軟件開發(fā)人員，Intel近來(lái)一直在主推oneAPI，它旨在提供統(tǒng)一的編程模型，用于簡(jiǎn)化不同架構(gòu)的開發(fā)工作。

應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)，英特爾網(wǎng)絡(luò)和定制邏輯事業(yè)部副總裁兼FPGA和電源產(chǎn)品部門總經(jīng)理David Moore指出，以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代重要的不僅僅是數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的類型同樣需要關(guān)注。以類型劃分，數(shù)據(jù)可分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和最佳處理近源數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)采用全新的數(shù)據(jù)并行化方式，具備新的數(shù)字格式和精度特性，并對(duì)實(shí)時(shí)和QoS提出了更高的要求。

從邊緣到云，數(shù)據(jù)洪流將將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。這也意味著需要更多硬件和軟件的深度定制以及更高靈活性。David Moore表示，Intel FPGA的優(yōu)勢(shì)在于擁有先進(jìn)的多功能加速器支持，自身靈活性可助力客戶打造高度差異化產(chǎn)品。基于FPGA，Intel構(gòu)建了一整套體系，包括IA+FPGA解決方案、合作伙伴和生態(tài)系統(tǒng)、軟件與IP，以及芯片和主板，覆蓋從邊緣計(jì)算到云端再到網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

在軟件和IP方面，英特爾提供了包括基于 LLVM的SYCL開源編譯器、Intel C++ Compiler編譯器、OpenVINO工具包等；具體到垂直細(xì)分應(yīng)用層面，Intel FPGA已滲透到嵌入式、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)連接，以及云和企業(yè)等領(lǐng)域。Patrick Dorsey以Intel PAC D5005在AI領(lǐng)域?qū)ι疃?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/語(yǔ)音識(shí)別/" target="_blank">語(yǔ)音識(shí)別的加速、PAC Arria 10 GX FPGA對(duì)視頻分析加速的兩大方案為例，指出了Intel不同于其他加速卡產(chǎn)品的最大區(qū)別：Intel擁有從端到云的完整加速卡產(chǎn)品線，同時(shí)提供較完整的硬件+平臺(tái)+行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，能夠幫助用戶快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

此外，Intel形成了包括FPGA、eASIC、ASIC在內(nèi)的一系列自定義邏輯解決方案組合，憑借可編程性、可擴(kuò)展性、低時(shí)延性、高存儲(chǔ)容量等特點(diǎn)，不僅提供更多選擇以及跨整個(gè)產(chǎn)品生命周期的靈活優(yōu)化，并且有效幫助客戶縮短上市時(shí)間，降低總擁有成本。

當(dāng)然，在這些基礎(chǔ)上，重中之重還在于生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。Patrick Dorsey在回答高端FPGA開發(fā)挑戰(zhàn)這個(gè)問(wèn)題時(shí)就強(qiáng)調(diào)，生態(tài)系統(tǒng)的搭建舉足輕重。英特爾在做更多FPGA平臺(tái)級(jí)的開發(fā)，建立更多軟件的堆棧，推動(dòng)更多主板的開發(fā)工作，努力想創(chuàng)造一些新的市場(chǎng)機(jī)遇。這也要求FPGA有更多的能力去適應(yīng)新應(yīng)用場(chǎng)景，意味著需要和更多的系統(tǒng)集成商、增值服務(wù)渠道商合作，共同推動(dòng)FPGA的發(fā)展。

顯然，不論是軟硬件協(xié)同發(fā)展，還是擴(kuò)大生態(tài)系統(tǒng)，最終都指向了“易用性”這一終極目標(biāo)。

易用性對(duì)于FPGA的下一個(gè)階段至關(guān)重要。如何最大程度釋放硬件性能、如何簡(jiǎn)化跨不同計(jì)算架構(gòu)應(yīng)用程序的開發(fā)工作，成為為數(shù)不多的FPGA玩家共同面臨的難題。

至于這種易用性如何實(shí)現(xiàn)？是通過(guò)更好的軟件工具，更高級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，還是更為先進(jìn)的工藝、封裝技術(shù)？也許，答案并不唯一，就像所有的人生經(jīng)驗(yàn)都需要沉淀，所有的成功都需要積累，經(jīng)歷過(guò)應(yīng)用檢驗(yàn)后的產(chǎn)品最終會(huì)在市場(chǎng)上大放異彩。