Achronix对国产FPGA发展的启示

在全球范围内，FPGA行业的主要市场份额常年被赛灵思和英特尔两家公司牢牢掌握。随着时间的积累，这两家公司逐渐构建起一道由上万件核心技术专利组成的“护城河”，而这条护城河也成功阻止了很多FPGA公司进一步发展的脚步。一些存活下来的公司，比如Lattice和Microsemi，往往只能靠剑走偏锋，专攻低功耗、航空航天等特殊的应用领域。

然而，今年5月底，一家名为Achronix的美国公司发布了一款名为Speedster7t的FPGA产品，主打高速网络传输、机器学习加速等领域。这些应用场景既属于FPGA的传统优势项目，也包含了近年来正在蓬勃兴起的FPGA全新应用。很明显，Achronix公司就是要借这款产品和赛灵思与英特尔等巨头FPGA公司正面对决。

这家名字有些拗口的公司成立至今已有15年。在这些年里，Achronix从无到有、从小到大，逐渐发展起来，并在今天有了和巨头FPGA公司一决高下的底气。在接下来的文章中，老石将具体分析Achronix最新FPGA的性能特点，以及它的发展历程对于我们国产FPGA行业有哪些启示。

Achronix是谁

Achronix公司成立于2004年，总部位于美国硅谷的Santa Clara，在印度设有研发中心，在深圳也设有分支机构。虽然距成立至今已有15年时间，Achronix目前仍然是一家私人公司，外界猜测其总融资金额大概在1.8亿美元到2亿美元之间。

值得注意的是，Achronix已于2017年第一季度实现盈利，其季度营收也由2016年第四季度的500万美元，一年后跃升至4000万美元，并成为当时世界上发展速度最快的半导体公司之一。

Achronix近年的飞速发展一方面得益于FPGA技术本身的不断广泛应用，另一方面得益于它自身的技术进步。有意思的是，作为无晶圆厂芯片公司，Achronix曾由英特尔代工，发布了世界上首个基于FinFET技术的FPGA，甚至早于赛灵思以及后来被英特尔收购的FPGA第二大厂Altera。Achronix的这款FPGA，也是英特尔代工制造的首个FPGA。

除了“传统”FPGA芯片产品之外，Achronix还是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商，见下图。在之前的文章曾经介绍过，包括Facebook在内的一些大型互联网企业据信也是Achronix的eFPGA IP的主要或潜在客户。

与传统FPGA相比，eFPGA的最主要特点是能将可编程逻辑单元与其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在缩小芯片面积的同时降低系统功耗，如下图所示。关于eFPGA的更多内容，有兴趣的读者可以查看老石之前的文章《啥是eFPGA》，在本文不再赘述。

Speedster7t：对标Agilex和ACAP的全新FPGA

今年五月底新发布的Speedster7t系列FPGA，应该算是Achronix的技术集大成者，这也给了Achronix叫板赛灵思和英特尔的信心和勇气。事实上，这款FPGA的确有不少让人眼前一亮的技术特点值得我们关注。

在工艺制程方面，Speedster7t将基于台积电的7纳米工艺制造，这与赛灵思的“ACAP”芯片使用的是相同的制造工艺。由于台积电的7纳米工艺与英特尔的10纳米工艺属于同代，因此Speedster7t在工艺制程上和英特尔的旗舰FPGA“Agilex”相比不落下风。

在芯片架构方面，Achronix的这款FPGA最大的特点之一就是采用了遍布芯片的2D片上网络技术，这与赛灵思的ACAP再一次不谋而合。

片上网络技术（NoC）是当前为了应对带宽瓶颈而逐渐兴起的重要技术，在老石之前的文章中曾多次提及。特别是在高速网络应用中，如5G、数据中心网络等领域，已经开始需要FPGA线速处理高达400Gbps的以太网流量。如果使用传统的设计方法，需要1024位宽的数据总线，并运行在724MHz的时钟频率下才能满足带宽要求。此外，可编程逻辑单元往往需要从芯片的不同位置传输数据，包括片上和片外的存储器、以及特定的硬件加速模块，如机器学习加速器等等。为了在片上进行大量数据传输和搬运，必须采用全新的片上网络NoC技术。

在Speedster7t上采用了横向和纵向的2D片上网络，并使用256位宽的AXI总线实现，运行在高达2GHz的频率下，从而提供单路512Gbps、总共20Tbps的片上网络带宽。

除了满足带宽要求，通过使用片上网络还能将片上逻辑单元划分成相对粗粒度的区域，从而极大降低布局布线算法的复杂度，也能提高时序收敛的速度。老石相信，片上网络技术将会是未来FPGA架构发展的一个重要方向。

此外，Speedster7t上集成了多个机器学习处理器（Machine Learning Processor – MLP），它可以支持不同定点数及浮点数的运算操作，如下图所示。此外，这款FPGA还能在片上最多集成300Mb的内存单元，以满足人工智能和机器学习相关应用的实现。虽然片上内存的容量距离赛灵思UltraScale+系列高达500Mb的片上内存还有一定差距，但已经和英特尔Stratix10系列FPGA的片上内存容量差不多。

除了片上网络和机器学习处理器之外，Speedster7t还集成了很多高速接口，如PCIe Gen5、GDDR6、112Gbps SerDes等等，本文不再详述。欲获取这款FPGA更多的技术信息和资料，请在知识星球“老石谈芯-进阶版”查看。

Achronix的发展历程对国产FPGA的重要启示

Achronix历时15年的发展，从无到有，从小到大，直到今天能和两大FPGA巨头公司一较高下，这其中有着很多值得我们国产FPGA公司借鉴的启示和经验。

首先，技术的发展没有捷径，不要过分迷信“弯道超车”。Achronix的技术积累并非一蹴而就，而是需要长达十几年的时间不断沉淀和创新。特别是对于专利壁垒极高的FPGA产业，不论是芯片架构、关键IP、高速接口等芯片硬件设计，还是FPGA设计工具和生态系统建设，都不太可能通过一次次“弯道超车”实现。只有不断在正确的赛道上积累和加速，才能像Achronix那样，有朝一日在主流舞台和那些主要玩家们同场竞技。

第二，拥抱新技术、新方向。正如前文提到的，在Achronix的新一代FPGA上采用了片上网络技术、机器学习处理器等诸多新技术，这些技术只有在赛灵思和英特尔的最高端FPGA中才有使用。这正说明了FPGA公司拥抱和使用最新技术的重要性。FPGA的发展一直遵循摩尔定律，而这些新科技和新方向，也使得FPGA将摩尔定律不断延续。

第三，离开“舒适区”，敢于对决的勇气。和Lattice、Microsemi等其他FPGA公司不同，Achronix选择在人工智能、高速网络处理等领域和传统FPGA巨头硬刚，其自信和勇气就着实令人佩服。对于我国的FPGA公司，也应该努力走出自己的传统业务领域，向不断蓬勃涌现的新兴FPGA应用领域发起冲击。