FPGA的未來(lái)發(fā)展猜想

對(duì)于FPGA技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，Xilinx和Altera分別被AMD和Intel收購(gòu)顯然是這段歷史中的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著FPGA公司從獨(dú)立公司變?yōu)樾酒揞^旗下的一個(gè)子部門，其技術(shù)發(fā)展策略也會(huì)有非常大的改變，而本文將對(duì)這樣的策略發(fā)展做一個(gè)展望。

FPGA賦能芯片新品類

首先，隨著與芯片巨頭的整合，F(xiàn)PGA將會(huì)與傳統(tǒng)芯片做進(jìn)一步集成，發(fā)揮其可編程性的優(yōu)勢(shì)，來(lái)賦能傳統(tǒng)芯片的新能力，甚至實(shí)現(xiàn)新的芯片品類。

對(duì)于Intel來(lái)說(shuō)，這樣的芯片新品類的例子就是IPU（infrastructure processing unit，數(shù)據(jù)中心處理器）。隨著數(shù)據(jù)中心的廣泛使用，數(shù)據(jù)中心中的一些重要任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)控制、存儲(chǔ)管理和網(wǎng)絡(luò)安全等對(duì)于處理能力的需求也是與日俱增，隨著各大芯片公司推出各自的解決方案，Intel也對(duì)于該市場(chǎng)推出了IPU。上個(gè)月，Intel剛剛發(fā)布了它關(guān)于IPU的未來(lái)路線圖，其中我們看到未來(lái)到2026年的IPU都會(huì)包括兩個(gè)版本，一個(gè)是基于ASIC的高性能版本，而另一個(gè)則是基于FPGA的可編程版本（包括2022年的Oak Springs Canyon，2023/2024年的Hot Springs Canyon以及2025/2026年尚處于規(guī)劃中的版本）。其中，基于FPGA版本的IPU事實(shí)上是集成了Intel FPGA芯片和Intel Xeon CPU的加速卡，可以以靈活的方式來(lái)處理各種不同的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和安全協(xié)議，從而保證最大化的可編程性而且不用擔(dān)心兼容性問(wèn)題。

事實(shí)上，類似數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的FPGA解決方案在過(guò)去幾年內(nèi)一直有初創(chuàng)公司在從事相關(guān)方面的項(xiàng)目，但是隨著巨頭Intel的入場(chǎng)，我們認(rèn)為這樣的FPGA+CPU方案將會(huì)真正成為主流方案之一。初創(chuàng)公司從事相關(guān)方面的項(xiàng)目并且獲得融資說(shuō)明了技術(shù)方向是可行的，而Intel進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)則帶來(lái)了初創(chuàng)公司所沒(méi)有的生態(tài)資源，我們認(rèn)為在未來(lái)幾年FPGA和CPU將會(huì)以更緊密的方式集成在一起（例如Chiplet），從而真正將靈活可編程的IPU做成一種由FPGA賦能的新芯片品類。

無(wú)獨(dú)有偶，AMD也在積極籌劃將Xilinx的FPGA和AMD的CPU集成在一起——在五月份的AMD財(cái)報(bào)發(fā)布會(huì)上，CEO Lisa Su宣布將在2023年發(fā)布集成了Xilinx AI Engine的CPU，也即擁有強(qiáng)大AI計(jì)算能力的CPU。到今天為止，AI相關(guān)計(jì)算都是在GPU或者其他專用加速硬件中完成執(zhí)行，之前Intel優(yōu)化在CPU上運(yùn)行AI的努力并沒(méi)有得到市場(chǎng)的大規(guī)模認(rèn)可，只要是因?yàn)镃PU的計(jì)算單元數(shù)目有限。但是，由于整體AI任務(wù)并不是只有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而是還要程序執(zhí)行的其他部分運(yùn)行在CPU上，因此如果能把CPU和AI加速單元做緊密耦合將會(huì)對(duì)任務(wù)的整體性能實(shí)現(xiàn)提升，這也估計(jì)是AMD提出集成FPGA AI engine的CPU的初衷，而這也是FPGA賦能新的芯片品類的一個(gè)例子。

綜上所述，隨著數(shù)據(jù)中心和人工智能等任務(wù)的進(jìn)一步普及，Intel和AMD等巨頭將會(huì)考慮如何充分利用FPGA的靈活性來(lái)應(yīng)對(duì)這些市場(chǎng)，而以目前的態(tài)勢(shì)光是推出FPGA產(chǎn)品并不是最好的方案，而是采用把FPGA和其他芯片做集成的方式來(lái)推出新的芯片品類，這將是FPGA未來(lái)的一個(gè)重要市場(chǎng)方向，接下來(lái)我們也將從技術(shù)方向來(lái)預(yù)測(cè)FPGA未來(lái)最關(guān)鍵的突破點(diǎn)在哪里。

更強(qiáng)大的集成和互聯(lián)

如前所述，隨著FPGA需要在新的芯片系統(tǒng)起到賦能的關(guān)鍵作用，我們認(rèn)為集成和互聯(lián)就成了一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。這里的集成和互聯(lián)又包括兩個(gè)層面：首先在FPGA層面，我們認(rèn)為FPGA芯片本身會(huì)集成越來(lái)越多的相關(guān)IP，從而讓FPGA芯片本身功能和效率更強(qiáng)；另一個(gè)層面是FPGA和系統(tǒng)中其他芯片的集成，我們認(rèn)為chiplet等高級(jí)封裝技術(shù)和相關(guān)的互聯(lián)技術(shù)將是核心。

首先，在FPGA芯片層面，F(xiàn)PGA提供靈活性，但是對(duì)于通用的模塊（如處理器等）效率較低，因此在FPGA芯片上集成硬IP以同時(shí)滿足效率和靈活性的需求將會(huì)繼續(xù)是主流思路，而且未來(lái)集成的IP數(shù)量會(huì)越來(lái)越多。在同一塊芯片上以FPGA為核心模塊，同時(shí)搭載其他硬IP模塊（例如CPU，以太網(wǎng)，視頻編解碼和內(nèi)存控制等），并且使用NOC等片上互聯(lián)方案把FPGA和其他IP連接起來(lái)。AMD/Xilinx是這方面的先行者，其在Versal產(chǎn)品線路線圖可以看到越來(lái)越多的硬IP將會(huì)集成在芯片上，而Intel的FPGA在這方面也會(huì)有相似的設(shè)計(jì)。通過(guò)集成這些硬IP，F(xiàn)PGA將能提供更強(qiáng)的功能。對(duì)于Xilinx來(lái)說(shuō)，其最關(guān)鍵的IP就是AI相關(guān)的DSP，而且我們也看到了一些新的IP，例如Direct RF等，它可以通過(guò)超高速率的數(shù)模轉(zhuǎn)換來(lái)直接支持射頻應(yīng)用，并且可望與FPGA結(jié)合來(lái)滿足各種無(wú)線通信的需求，這樣就可以實(shí)現(xiàn)真正的軟件無(wú)線電，從而為FPGA打開新的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，通過(guò)集成越來(lái)越多的硬IP在FPGA芯片上，將會(huì)成為使FPGA功能進(jìn)一步變強(qiáng)并且進(jìn)入新應(yīng)用場(chǎng)景的重要技術(shù)路徑

第二個(gè)層面是在系統(tǒng)層面將FPGA和其他芯片集成在一起的集成和互聯(lián)，我們認(rèn)為這樣的集成將會(huì)是FPGA賦能新芯片系統(tǒng)和品類的關(guān)鍵，而結(jié)合之前所說(shuō)的FPGA芯片上的更多硬IP集成，我們認(rèn)為最終功能越來(lái)越強(qiáng)大的FPGA可以賦能越來(lái)越多的新芯片品類并打開市場(chǎng)。在這個(gè)層面，我們認(rèn)為最關(guān)鍵的技術(shù)路徑是通過(guò)高級(jí)封裝的形式實(shí)現(xiàn)靈活且可定制化的異質(zhì)集成，并且輔以創(chuàng)新的互聯(lián)技術(shù)。在這方面，Intel在早前就發(fā)布了使用高級(jí)封裝技術(shù)（EMIB）來(lái)把FPGA和高速收發(fā)機(jī)（用于數(shù)據(jù)中心可擴(kuò)展性互聯(lián)）和DRAM等都集成在一個(gè)封裝里。在今年晚些時(shí)候的HOTCHIPS會(huì)議上，Intel也有一篇關(guān)于使用異質(zhì)集成來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新射頻應(yīng)用的報(bào)告。使用異質(zhì)集成的主要優(yōu)勢(shì)在于其靈活性，例如可以根據(jù)用戶的需求來(lái)和不同種類和規(guī)格的芯片粒去做集成，來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化性能，成本和可定制化之間的折衷。

同樣的，AMD把Xilinx FGPA和CPU集成在一起的計(jì)劃，雖然目前沒(méi)有發(fā)布明確的技術(shù)參數(shù)，但是根據(jù)AMD之前在chiplet方面的投資以及AMD之前的相關(guān)專利，我們認(rèn)為也有很大可能會(huì)是使用chiplet技術(shù)。

隨著這類集成的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)于互聯(lián)的需求也就越來(lái)越高，否則互聯(lián)可能會(huì)成為多芯片系統(tǒng)中的瓶頸?；ヂ?lián)不僅需要能提供高帶寬，還需要對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的重要功能提供支持，例如緩存和內(nèi)存一致性等。目前，Intel和AMD的FPGA都對(duì)相關(guān)的CXL協(xié)議提供支持，而我們認(rèn)為隨著FPGA和處理器以及其他芯片粒之間的更大規(guī)模集成，越來(lái)越復(fù)雜和高速的芯片粒間互聯(lián)將會(huì)成為關(guān)鍵技術(shù)。

除了硬件之外，如何在實(shí)際任務(wù)中最大效率地利用FPGA也是一個(gè)極其關(guān)鍵地問(wèn)題。隨著FPGA和其他芯片（例如CPU）緊密集成在一起形成一個(gè)異質(zhì)芯片系統(tǒng)，如何確保軟件能夠充分利用FPGA并且避免調(diào)度等方面的瓶頸就是一個(gè)非常復(fù)雜但是重要的問(wèn)題。這是一個(gè)有很高挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，因?yàn)镕PGA和系統(tǒng)中其他部分（如CPU）的編程模型可能非常不同，因此如何確保軟件可以正確分割任務(wù)（即把合適FPGA的任務(wù)分配給FPGA，而適合其他處理器的任務(wù)分配給相應(yīng)處理器），合理處理調(diào)度和內(nèi)存管理，并且以一種較為用戶友好的形式供軟件工程師使用，是一個(gè)很大的工程。這些是與傳統(tǒng)FPGA軟件（即主要針對(duì)前端和后端邏輯綜合任務(wù)）有較大區(qū)別的任務(wù)。

在這個(gè)領(lǐng)域，Intel和AMD都在積極投資。例如，在Intel發(fā)布的IPU路線圖上，開放且靈活的軟件生態(tài)是Intel一個(gè)重要的投入領(lǐng)域，而且與之相應(yīng)的是Intel在日前剛剛宣布要收購(gòu)跨平臺(tái)異構(gòu)芯片軟件編譯器公司Codeplay，這一舉動(dòng)也被業(yè)界認(rèn)為是在下一代FPGA軟件方面的投資。與此同時(shí)，AMD也在五月的財(cái)報(bào)發(fā)布會(huì)上表示要大力投入軟件領(lǐng)域，顯然這里也包括了FPGA相關(guān)的軟件研發(fā)。我們認(rèn)為，隨著FPGA成為新的芯片系統(tǒng)中的重要一環(huán)，相應(yīng)的軟件生態(tài)也必須要跟上，從而使得這樣的FPGA系統(tǒng)新范式真正進(jìn)入主流。

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