一場由FPGA觸發的芯片戰爭

ID:704585 · 發表于 2020-8-4 10:21

FPGA（現場可編程門陣列）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。在20世紀80年代中期，RossFreeman和他的同事從Zilog手中購買了這項技術，并著手創辦了針對ASIC仿真和教育市場的Xilinx。（Zilog出自埃克森美孚石油公司，因為在20世紀70年代，人們已經開始擔心石油會在30年后枯竭，這一點在今天仍然適用）。同時，Altera也以類似的技術為核心成立。
FPGA是由電路編程的芯片，支持“仿真”該電路。這種仿真的運行速度比使用ASIC實現的實際電路運行速度慢--它的時鐘頻率更慢，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使用FPGA來仿真芯片。

觸動電信業的神經

電信行業一直是FPGA的主要用戶。電信標準不斷變化，建造電信設備非常困難，因此首先提供電信解決方案的公司往往會占領最大的市場份額。由于ASIC需要很長時間才能完成，FPGA提供了一個捷徑。電信設備的最初版本一般采用FPGA，但FPGA高昂的價格引發了沖突。盡管FPGA的價格對ASIC仿真市場無關緊要，但對電信行業而言，芯片的價格卻很重要。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相比不具有競爭力。
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電信設備解決方案，相較于其他供應商處于明顯優勢，但中美之間最近的緊張關系很可能會導致產于美國的FPGA影響華為提供5G電信設備。

FPGA價格觸及神經

早期，FPGA被用于SDR（軟件定義的無線電）——在同一時間建立多個不同標準的無線電通信，本質上是一部講多種語言的單一電話。這一次，FPGA挑動了一個巨大的神經。
SDR技術的實施方式存在分歧。商業供應商開發了經濟高效的解決方案，如今地球上的每個基站都有SDR技術。另一方面，在國防界，SDR是由大型國防承包商建造的，他們用有利可圖的傳統產品線來建造。其結果是基于FPGA的無線電產品價格非常高，以至于美國部分國防市場對使用FPGA產生了持續的過敏反應。
接下來，FPGA試圖在DSP（數字信號處理器）和嵌入式市場中發展。在角落里有一些微處理器的FPGA開始出現。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，有時甚至會拒絕提供服務好幾個月。鑒于FPGA產品具有巨大的覆蓋率和知識產權層而無法降低其價格，因此，發展FPGA市場的壓力一直是巨大的，FPGA公司征服新市場失敗的規模也是如此。

觸動HPC和數據中心的神經

在過去的幾年里，FPGA一直試圖在HPC（高性能計算）和數據中心市場發展。2017年，微軟宣布在數據中心使用Altera FPGA，而英特爾則收購了Altera。2018年Xilinx公司宣布其“數據中心優先”戰略，Xilinx首席執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，但從歷史上看是有關聯的。
在高性能計算機和數據中心使用FPGA時，目前的主要障礙是布局和布線——運行專有FPGA供應商軟件將電路映射到FPGA元件所花費的時間，在大型FPGA和高速CPU服務器上，布局和布線需要長達三天，而且很多時候即使在使用三天后，很多軟件仍無法解決映射問題。

觸動石油和天然氣的神經

在石油和天然氣實施領域中，2007年左右出現了一個利基市場。傳統計算機模擬地球上的鉆孔以發現石油所花費的時間比實際建造的鉆井場地和鉆井本身還要長，FPGA加速器的使用極大地改變了這種顛倒時序。石油公司數據中心中的第一個FPGA，用于計算地震圖像，由MaxelerTechnologies制造，并交付給Chevron。
幾年來， FPGA在石油和天然氣領域的應用不斷擴大，直到來自ASIC行業的壓力導致CPU技術回歸標準化。如今，石油和天然氣中的預測和模擬仍然很重要，地震成像大多在CPU和GPU上完成，但FPGA的機會仍然存在。我們需要注意的是，“今天的新事物是明天的遺產”，當然，如今的新事物是對AI和數據的關注。
盡管如此，FPGA仍然是一種快速進入市場的方式，是獲得競爭優勢的簡單方法以及在許多關鍵任務情況下必不可少的技術——盡管與ASIC相比，芯片價格昂貴。然而，在與CPU或GPU上運行軟件相比，在HPC和數據中心中，FPGA的運營成本大大降低。與CPU和GPU相比，所需的FPGA更少，所需的冷卻也更少。FPGA使得數據中心規模更小，這觸及了運營商擔心數據中心可能會縮小的神經。

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