FPGA厂商“齐步”走向平台化 从提供硬件转向软件平台服务

图灵奖得主 John Hennessy 和 Dave Patterson 曾经表示，架构已经进入新的黄金时代。传统架构显然已经无法满足现有的数据处理任务，更不用说应对未来的需求，行业亟需架构的创新。确实，随着 5G 、AI、云计算、物联网及自动驾驶等新一代信息技术快速演进，全球数据正呈指数级增长并呈海量聚焦态势。IDC 预测，到 2025 年，全球的数据量会增加到 175ZB。数据量的急速膨胀，给数据中心带来前所未有的压力，从硬件到软件都要进行全面革新，计算机架构已经从单核演进到多核，甚至将 CPU、GPU、FPGA 进行多核异构，从而满足未来数据处理对算力的需求。

“去年年初，我们提出了三大战略：数据中心优先、加速核心市场发展和驱动灵活应变的计算。”在 2019 XDF 上，赛灵思全球总裁兼 CEO Victor Peng 介绍，“经过逾一年半的发展，我们在数据中心、人工智能、 5G 等行业应用领域不断扩大市场。截止到 9 月底，数据中心业务在这一季度同比增长 24%，季度增长 92%。我们在数据中心的量产部署还处于非常早期阶的段，这一增长反映了自适应计算价值优势的开启。在生态方面，我们已经开始与服务器 OEM 提供商如 Dell、 HP、浪潮等携手 Alveo 加速，培训企业及学术界用户达 7，000 多人，加入赛灵思加速器计划的合作伙伴已经达 800 多家，应用发布近 100 个。”

数据中心业务确实是块“肥肉”，从市场规模看，数据中心到 2023 年总体规模预计会超过 3000 亿美元，加速器市场在 2021 年会超过 200 亿美元，FPGA 市场在 2022 年会超过 75 亿美元。无论对于 FPGA 厂商、加速卡供应商，还是服务器供应商，都是前途一片光明。

浪潮集团高级副总裁彭震表示，当前，融合发展正在引发数据中心新一轮变革，计算、存储和网络的模块融合，软硬件一体化的平台融合，IT、CT 和 OT 的跨技术融合，以及“互联网+”、“物联网+“与“智能+”的跨产业融合，对计算范式的灵活性和计算架构的开放性均带来新的挑战。在数据中心融合发展趋势下，通过硬件重构+软件定义的融合架构模式，构建敏捷、可重构、高性能功耗比的可定制计算将是未来数据中心创新的重要解决之道。浪潮通过 JDM 模式，与合作伙伴一起联合创新，基于对云计算、大数据、人工智能的深入理解，共同创新开发新的产品。IDC 数据显示，2019 年第三季度，浪潮服务器出货量和销售额均为全球前三，中国第一；2019 年上半年，浪潮在中国的 AI 服务器市场贡献了超过 50%的市场份额，稳居中国第一。

百度技术经理张红光介绍，百度大脑已经构建了完整的 AI 技术体系，目前已接入 150 多万开发者，开放 228 项技术能力。联合赛灵思的 FPGA，百度大脑在 AI 算法、计算架构和应用场景融合创新的基础上，已升级为软硬一体 AI 大生产平台，实现了 AI 技术的标准化、自动化、模块化。

在阿里巴巴的云和智能 FPGA 异构机损负责人张振祥看来，FPGA 的开发和使用存在着天然的高门槛，FPGA 能够被客户接受的最重要因素是简单易用，最好能和 CPU、GPU 一样容易上手使用。因此，FPGA 异构计算一直在易用、稳定、安全这三个特性上不遗余力地进行投入和研发。阿里云异构 FPGA 计算经过了 2018 年和 2019 年两次双十一大促的考验，没有出现任何问题。在安全问题上，客户可以放心地把解决方案部署到阿里云上。

数据中心这块“肥肉”谁都不想拱手让人

2018 年英特尔全球营收首次超过 700 亿美元，达到 708 亿美元，数据中心业务占比高达 48%，粗略一算，英特尔仅在数据中心业务的营收就达到 340 亿美元，这与英特尔转向“以数据为中心”的决策有莫大的关系。英特尔也在感叹，当年收购 Altera 是一个多么英明的决定，有了 CPU、GPU，加上 AI 芯片、FPGA 妥妥地无人能敌。就在上个月，英特尔在 FPGA 技术上又发了一把力，推出了 Stratix 10 GX 10M FPGA，包含 1020 万个逻辑单元，433 亿晶体管，成为当前密度最高的 FPGA 芯片，虽然英特尔一再表示，这款芯片主要用于 ASIC 验证和仿真，但是对于加速卡产品来说无疑又多了一个选项。

作为 FPGA 市场的霸主，赛灵思也早就看准了这一市场机会。在去年的 XDF 上，赛灵思就推出了 Alveo 加速器卡，推动数据中心优先战略。Victor Peng 表示，“Alveo 就是要大幅提升云端和本地数据中心中业界标准服务器性能，推动自适应器件的普及应用。这一产品系列目前已扩展至 Alveo U50、U200、U250、U280 四款产品，并已在美国、欧洲和中国市场得到广泛应用。今年 4 月，我们收购了 Solarflare 通信公司，将 FPGA、MPSoC 和 ACAP 解决方案与 Solarflare 的超低时延网络接口卡（NIC）技术以及 Onload 应用加速软件相结合，从而实现全新的融合 SmartNIC 解决方案。”

就在前不久，作为 FPGA 领域新秀的 Achronix，也联合 Molex 的子公司 BittWare 打造了一款高速 FPGA 加速卡 --VectorPath PCIe 加速卡。在创业初期，Achronix 是做 eFPGA 起家的，当时只做 FPGA IP 授权，随着技术实力和资金实力的增强，去年推出了 Speedater7t FPGA 芯片，今年在扩展业务首先就想到了做加速卡。BittWare 之所以选中 Achronix 的 FPGA 芯片，就是看重了 Speedater7t 的高性能（具体详情见：抓住 AI 带来的 3 倍飙升，这家公司拼力打造“FPGA+”实现突破：https://www.eefocus.com/fpga/440725），而且在市场竞争中找到了与大厂不同的位置。BittWare 公司副总裁 Sam Bichara 对与非网记者表示，在市场上，PCIe 加速卡应用越来越多，在两、三年前，一类规模厂商开始将加速卡引入数据中心，他们的工程师资源比较充分，可以把芯片直接做到主板中，而对于小型数据中心，工程师资源匮乏，可以基于 PCIe 加速卡发挥 FPGA 的优势，这就是 Achronix 的市场机会。

都说 FPGA 市场基本走向垄断，大部分都被英特尔和赛灵思收入囊中，但是面对数据中心巨大的市场诱惑，还是有创业者愿意来试一把，Achronix 就是其中之一。

FPGA厂商“齐步”走向平台化

面对当前半导体市场的竞争格局，芯片厂商只提供芯片已经成为一种过时的市场策略，大部分芯片公司在几年前就已经纷纷针对不同的应用提供全套的解决方案，这一做法和联发科当年争夺手机市场的做法如出一辙。但是 FPGA 市场似乎更快一步，直接从单纯提供硬件转向平台化服务，赛灵思推出了 Vitis 软硬件统一平台，英特尔推出了 OneAPI。

赛灵思向平台化转型的策略在五、六年前就已经开启，当年的 SDAccel 就是 Vitis 的早期原型。关于 Vitis 的研发背景，赛灵思软件与 AI 产品市场营销副总裁罗明做出了分析，从 2000 年开始，CPU 的主频就已经达到 2GHz-4GHz，后面的 20 年没有多大进步。为了提升计算速度，人们开始采用多核 CPU，但是能效止步不前，于是出现了多核异构，但是固定的架构难以赶上 AI 的创新速度，我们要打造一款自适应平台，让芯片针对不同的应用进行硬件优化，这就是 Vitis 统一软件平台，Vitis 可以将从云到边缘的所有开发统一起来。

针对 AI 应用，赛灵思还发布了 Vitis AI，软件工程师可以进行加速、特定领域的程序编写，AI 的科学家可以把应用程序接入神经网络，然后反馈给软件开发人员，这样软件工程师和 AI 就实现了统一。亚马逊 AWS 是第一个采用 FPGA 云服务的提供商，百度、腾讯、阿里巴巴紧随其后。针对云和边缘，把所有环境、语言、库统一到一个平台上来，Vitis 确实很吸引人。

再看英特尔的 oneApp，和 Vitis 有着异曲同工之妙，其核心概念是提供统一的编程模型，简化跨不同架构的开发，开发人员可在标量、矢量、矩阵和空间架构（CPU、GPU、AI 和 FPGA）上获得统一的开发体验；基于标准的跨架构语言，可以在 CPU 与其它加速计算引擎间提供卓越的并行编程效率和性能的语言，支持针对不同硬件平台的代码复用，同时可以针对特定加速计算引擎的进行定制调优。

“我们利用跨行业开放的解决方案，替代单一架构的专有语言。” 英特尔网络和自定义逻辑事业部副总裁 Patrick Dorsey 向与非网记者解释，“让硬件工程师做好优化库，采取库的战略，简化软件工程师的工作。当然，一定是硬件定制化才能达到最好的性能，用户需要根据实际情况进行选择。oneAPI 不止是针对 FPGA，而是针对更广泛的群体，包括 GPU、CPU、AI 都可以使用 oneAPI。”

从应用范围来看，似乎英特尔的格局更大，囊括了 CPU、GPU、AI 和 FPGA 等旗下的所有产品，但是赛灵思选择了将 Vitis AI 开源，用户可以免费下载。赛灵思把工具交给客户，让他们可以无缝集成在自己的开发环境里。罗明也强调，我们采用业界熟悉的标准，同时把工具、资源、代码开放给客户，让客户直接使用。我们的目的是赋能软件开发人员，让他们在自适应开发平台上释放自己创新力的开发工具。

从 Vivado 设计套件、SDNet 软件定义规范环境，到针对数据中心的 SDAccel 开发环境、面向 SoC/MPSoC 嵌入式 C/C++应用开发的 SDSoC，再到面向云端应用的可重配置加速堆栈的 reVISION 堆栈，以及现在的 Vitis，赛灵思向着“All-Programmable”一路狂奔。罗明也表示，我们公司在进行战略转型，从传统硬件公司转型成为软件的平台公司，我们理念就是拥抱开源，把免费工具贡献给大家。Vivado 针对的是硬件工程师，Vitis 和 Vitis AI 针对的是软件工程师以及 AI 科学家。现在全球硬件开发者大约只有 10 万、20 万人，而软件开发人员则数以几百万计。

FPGA 市场的整体发展趋势是从单纯提供硬件转向软件平台服务。英特尔计划通过 oneAPI 打通旗下各种硬件平台，简化用户的选型过程；赛灵思是要通过 Vitis 吸引更多软件工程师加入，扩大用户群体。从传统硬件公司转向软件平台公司，虽然在体量上赛灵思和英特尔不在一个量级，但是运营思路是一致的，开源软件为硬件业务吸纳更多用户，两家公司对自己的定位都是通过销售硬件盈利。