Achronix半导体公司历经3年推出7nm FPGA

随着人工智能、机器学习等应用场景快速发展演进，对芯片的算力、安全性等性能也提出了更高的诉求。据市场调研公司Semico Research数据显示，2018年FPGA市值约为10亿美元，在未来4年内，人工智能应用中FPGA的市场规模将增长3倍，达到52亿美元。

要知道，这个增长是非常惊人的，毕竟过去多年，FPGA市场的年均增长率也才8%-9%。目前人工智能、机器学习等应用场景的FPGA市场约为25%，预计两年后将达到72%。如此庞大的市场空间，则需要性能更高、更加灵活的AI 算法解决方案。

近日，基于FPGA的硬件加速器件和高性能嵌入式FPGA（eFPGA）半导体知识产权（IP）领导性企业Achronix半导体公司推出了创新性的Speedster7t FPGA系列产品，以其具有ASIC一样的性能，还可简化设计的FPGA灵活性和增强功能，从而远远超越传统的FPGA解决方案。为何要研发Speedster7t FPGA？

据了解，Speedster7t FPGA系列产品是专为高带宽应用进行设计，具有一个革命性的全新二维片上网络（2D NoC），以及一个高密度全新机器学习处理器（MLP）模块阵列。该产品的诞生也极具有创新性和针对性，Achronix CEO 罗伯特·布莱克先生在接受芯师爷的采访时表示，在研发该芯片时，主要考虑三方面问题:其一，如何拥有高效的计算力；其二，如何将数据更快速、高效地传输到计算单元中；其三，如何实现高效，丰富存储缓存能力。而这也是目前数据加速所需架构的三大要素。

他认为，Speedster7t是Achronix历史上最令人激动的发布，代表了建立在四个架构代系的硬件和软件开发基础上的创新和积淀，以及与我们领先客户之间的密切合作。Speedster7t是灵活的FPGA技术与ASIC核心效率的融合，从而提供了一个全新的‘FPGA+’芯片品类，它们可以将高性能技术的极限大大提升。

“在开发Speedster7t系列FPGA的产品过程中，Achronix的工程团队完全重新构想了整个FPGA架构，以平衡片上处理、互连和外部输入输出接口（I/ O），以实现数据密集型应用吞吐量的最大化，这些应用场景可见于那些基于边缘和基于服务器的AI/ML应用、网络处理和存储。”罗伯特·布莱克先生补充道。

Speedster7t FPGA系列产品经历3年研发，将采用台积电7nm FinFET工艺，是专为接收来自多个高速来源的大量数据而设计。整体来看，该产品主要有五大优势：

1、较高的计算性能

AI、ML需要矢量矩阵乘法，而传统的带DSP模块的FPGA性能有限，需要消耗额外逻辑和Memory资源，而新的MLP是高度可配置的、计算密集型的单元模块，可支持4到24位的整点格式和高效的浮点模式，包括对TensorFlow的16位格式的支持，以及可使每个MLP的计算引擎加倍的增压块浮点格式的直接支持。它可提供业界最高的、基于FPGA的计算密度。

2、支持超高存储带宽

值得一提的是，Speedster7t器件是唯一支持GDDR6存储器的FPGA，该类存储器是具有最高带宽的外部存储器件。每个GDDR6存储控制器都能够支持512 Gbps的带宽，Speedster7t器件中有多达8个GDDR6控制器，可以支持4 Tbps的GDDR6累加带宽，并且以很小的成本就可提供与基于HBM的FPGA等效存储带宽。

3、高速接口

除了这种超高的存储带宽，Speedster7t器件还包括业界最高性能的接口端口，以支持极高带宽的数据流。Speedster7t器件拥有多达72个业界最高性能的SerDes，可以达到1到112 Gbps的速度。还有带有前向纠错（FEC）的硬件400G以太网MAC，支持4x 100G和8x 50G的配置，以及每个控制器有8个或16个通道的硬件PCI Express Gen5控制器。

4、超高效率的数据移动

Speedster7t高速I/O和存储器端口的产生的数万兆比特数据很容易淹没传统FPGA面向比特位的可编程互连逻辑阵列的路由容量，而Speedster7t架构包含一个可横跨和垂直跨越FPGA逻辑阵列的创新性的、高带宽的二维片上网络（NOC），它们连接到所有FPGA的高速数据和存储器接口。

它们就像叠加在FPGA互连这个城市街道系统上的空中高速公路网络一样，Speedster7t的NoC支持片上处理引擎之间所需的高带宽通信。NoC中的每一行或每一列都可作为两个256位实现，单向的、行业标准的AXI通道，工作频率为2Ghz，同时可为每个方向提供512 Gbps的数据流量。

值得注意的是，NOC的外围（如下图的大黄框）是购买的IP，但是内部的构造是Achronix自己设计的。通过在Speedster中实现专用二维NoC，极大地简化了高速数据移动，并确保数据流可以轻松地定向到整个FPGA结构中的任何自定义处理引擎。

最重要的是，NOC消除了传统FPGA使用可编程路由和逻辑查找表资源在整个FPGA中移动数据流中出现的拥塞和性能瓶颈。这种高性能网络不仅可以提高Speedster7t FPGA的总带宽容量，还可以在降低功耗的同时提高有效LUT容量。

5、高安全性

Speedster7t FPGA系列产品在面临第三方攻击的威胁时，可用最先进的比特流安全保护功能应对，它们具有的多层防御能力可保护比特流的保密性和完整性。

密钥是基于防篡改物理不可克隆技术（PUF）进行加密，比特流由256位的AES-GCM加密算法进行加密和验证。为了防止来自旁侧信道的攻击，比特流被分段，每个数据段使用单独导出的密钥，且解密硬件采用差分功率分析（DPA）计数器措施。

此外，2048位RSA公钥认证协议被用来激活解密和认证硬件。用户可以确信的是当他们加载其安全比特流时，它是预期的配置，这是因为它已通过RSA公钥、AES-GCM私钥和CRC校验进行了身份验证。截至目前，针对不同的市场应用需求，Achronix 还推出了Speedster7t系列的“家族”化产品，如7t750、7t1500、7t3000、7t6000。

但该系列的产品还未正式上市，预计2019年第四季度会提供样片及加速卡，2020年正式量产。其中，Speedcore eFPGA基于台积电16FF +工艺产品已经实现量产。

为了更好的为公司硬件产品提供支持，Achronix专门推出了配套的ACE软件设计工具，该软件与业界标准的逻辑综合工具配合使用，支持FPGA设计人员便捷地将其设计映射到Speedster7t FPGA、Speedcore eFPGA和Speedchip FPGA chiplets产品中。值得一提的是，该ACE软件设计工具可直接获得。

据了解，Achronix是唯一一家既提供独立FPGA芯片又提供Speedcore嵌入式FPGA（eFPGA）半导体知识产权（IP）的公司。Achronix在Speedcore eFPGA IP中采用了与Speedster7t FPGA中使用的同一种技术，可支持从Speedster7t FPGA到ASIC的无缝转换。