5G時(shí)代對(duì)FPGA的影響與挑戰(zhàn)？

在半導(dǎo)體的歷史上，FPGA在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和電子系統(tǒng)中扮演著重要的角色。這就是為什么我們?cè)凇禙abless：半導(dǎo)體工業(yè)的轉(zhuǎn)型》一書(shū)中加入了FPGA的歷史，并在2019年版中增加了關(guān)于Achronix歷史的新章節(jié)。

在最近的一篇博客文章“FPGA In the 2020 - the New Old Thing”中，Achronix表示，F(xiàn)PGA已經(jīng)有35年的歷史，未來(lái)的云計(jì)算人工智能時(shí)代代表了一個(gè)新的FPGA增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。事實(shí)上，在我們?nèi)ツ甑牡谝淮?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)中，Achronix ML網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)打破了分析記錄。

FPGA是一種半定制電路，主要應(yīng)用于專(zhuān)用集成電路，在航空航天/國(guó)防、消費(fèi)電子、電子通訊等領(lǐng)域有著不可替代的位置。在FPGA的下游應(yīng)用中，通信占據(jù)最大的細(xì)分市場(chǎng)，約可達(dá)60%左右。其中， FPGA芯片對(duì)于5G發(fā)展有著不可或缺的重要性。

這段時(shí)間熱搜包月的貿(mào)易戰(zhàn)，將5G產(chǎn)業(yè)推上了風(fēng)口浪尖。但是，我國(guó)民用FPGA供應(yīng)依賴(lài)于美國(guó)Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi4大芯片巨頭，民用領(lǐng)域FPGA國(guó)產(chǎn)化率僅4%（MRFR數(shù)據(jù)）。5G將帶來(lái)FPGA新需求，基站建設(shè)近在咫尺。目前，5G宏基站中都在使用FPGA。

無(wú)論是在邊緣（eFPGA）還是在云（FPGA）中，可編程技術(shù)都將在剛剛開(kāi)始的5G數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)中扮演關(guān)鍵角色。我們從2015年第四季度開(kāi)始在SemiWiki上追蹤人工智能，并發(fā)表了182個(gè)博客，獲得了近100萬(wàn)的瀏覽量，這是相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，人工智能無(wú)處不在，大大小小的公司都在以最快的速度消耗人工智能設(shè)計(jì)支持信息。

回到Achronix的博客文章，它充滿(mǎn)了有趣的數(shù)據(jù)和鏈接，如果你正在研究FPGA在5G時(shí)代的使用，這些數(shù)據(jù)和鏈接將非常有用。我也花了很多時(shí)間研究人工智能，并與一些大公司和SemiWiki合作完成了幾個(gè)人工智能項(xiàng)目。

FPGA是當(dāng)今半導(dǎo)體領(lǐng)域的老古董。盡管FPGA已經(jīng)有35年的歷史，但未來(lái)10年代表著自上世紀(jì)90年代初以來(lái)從未出現(xiàn)過(guò)的增長(zhǎng)機(jī)遇。為什么現(xiàn)在會(huì)這樣？

全球數(shù)據(jù)量持續(xù)激增，IDC預(yù)測(cè)，到2025年，全球每年將產(chǎn)生超過(guò)175zb的數(shù)據(jù)。有了這么多的數(shù)據(jù)，就有了一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)來(lái)分析它，從而獲得能夠改變和影響世界的見(jiàn)解。人工智能將在這一數(shù)據(jù)挖掘操作中扮演重要角色，企業(yè)正在增加在機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析方面擁有深厚技能的員工，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)……

此外，由于5G通道數(shù)大幅增加，單站FPGA用量相應(yīng)增加。中國(guó)5G商用進(jìn)度全球領(lǐng)先，且我國(guó)每代移動(dòng)通信技術(shù)大規(guī)模資本開(kāi)支一般集中于商用前幾年，因此，當(dāng)前FPGA較4G時(shí)代將占據(jù)更重要地位。由于5G應(yīng)用頻段較高，5G基站數(shù)量或?qū)⑦_(dá)到4G的1.5倍。另外，隨著2022年后“5G下半場(chǎng)”毫米波技術(shù)成熟，小基站的數(shù)量規(guī)模有望達(dá)到千萬(wàn)級(jí)。5G需滿(mǎn)足的業(yè)務(wù)場(chǎng)景將遠(yuǎn)超1G~4G，5G設(shè)備將面對(duì)更復(fù)雜的物理協(xié)議、算法，對(duì)邏輯控制、接口速率要求提高。

因此，專(zhuān)家估計(jì)5G市場(chǎng)，單基站側(cè)FPGA市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到4G的數(shù)倍。FPGA門(mén)檻高，國(guó)產(chǎn)化率低，未來(lái)將成國(guó)產(chǎn)化替代攻堅(jiān)領(lǐng)域中國(guó)市場(chǎng)FPGA需求量全球最大（30%以上），但我國(guó)的FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率非常低。目前在民用領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn) FPGA 在中國(guó)市場(chǎng)占有率不到 5%，未來(lái)國(guó)產(chǎn)FPGA有望蓬勃發(fā)展。

處理AI/ML工作負(fù)載的新塊浮點(diǎn)運(yùn)算單元

塊浮點(diǎn)（BFP）是浮點(diǎn)和定點(diǎn)算法的混合，其中數(shù)據(jù)塊被分配一個(gè)公共指數(shù)。我們描述了一種新的算術(shù)單元，它為常見(jiàn)的矩陣算術(shù)運(yùn)算執(zhí)行塊浮點(diǎn)運(yùn)算并創(chuàng)建浮點(diǎn)結(jié)果。BFP算術(shù)單元支持多種不同精度和范圍的數(shù)據(jù)格式。

與傳統(tǒng)的浮點(diǎn)運(yùn)算單元相比，BFP通過(guò)犧牲一些精度來(lái)節(jié)省大量的功率和面積。這個(gè)新的運(yùn)算單元已經(jīng)在來(lái)自Achronix的新的7nm FPGA家族中實(shí)現(xiàn)。在一項(xiàng)演示中，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的工作負(fù)載進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，與半精度（FP16）操作相比，BFP的性能和耗電都得到了提升。

FPGA能否稱(chēng)雄？

作為FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）大廠(chǎng)，賽靈思方面認(rèn)為，摩爾定律已經(jīng)接近走向終結(jié)，未來(lái)不能單純依靠芯片設(shè)計(jì)的周期性更新達(dá)到所需，這導(dǎo)致未來(lái)需要更多依靠芯片架構(gòu)創(chuàng)新突圍。賽靈思通信部門(mén)市場(chǎng)總監(jiān)Gilles Garcia表示，目前面臨的這些挑戰(zhàn)共同之處在于，要求有更高的性能、更多帶寬和更強(qiáng)計(jì)算能力，5G時(shí)代對(duì)賽靈思意味著更大的發(fā)展機(jī)會(huì)。

不同于此前通信時(shí)期，5G意味著更加碎片化的處理節(jié)點(diǎn)，端-邊-管-云構(gòu)成了龐大的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。Garcia進(jìn)一步指出，5G將對(duì)FPGA廠(chǎng)商帶來(lái)三方面主要挑戰(zhàn)：大規(guī)模天線(xiàn)陣列如何管理無(wú)線(xiàn)電方面的復(fù)雜性，如何管理好前傳的帶寬需求，更大量的數(shù)據(jù)回傳需求如何滿(mǎn)足。

具體來(lái)說(shuō)，在前傳方面，由于滿(mǎn)足傳統(tǒng)4G無(wú)線(xiàn)電裝置使用的同時(shí)，新增5G協(xié)議裝置的處理，這意味著要能支持不同協(xié)議的融合接入；城域間的多個(gè)接口，每個(gè)接口速率最高達(dá)到100Gbps，意味著核心干線(xiàn)傳輸接口至少需要具備100-400Gbps的傳輸能力。同時(shí)，終端的數(shù)據(jù)回程吞吐量將增加10倍，加上龐大的用戶(hù)群體，數(shù)據(jù)量將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)。

從網(wǎng)絡(luò)特征來(lái)看，5G對(duì)更高帶寬和更低時(shí)延的要求也進(jìn)一步增加。Gilles Garcia介紹道，賽靈思采用的16納米制程技術(shù)，可節(jié)省60%功耗；而RF SoC技術(shù)，能做到在單芯片的SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）上把數(shù)字和模擬結(jié)合在一起，把封裝尺寸降低70%。

下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)在哪里？

5G時(shí)代一個(gè)重要變化是，電信運(yùn)營(yíng)商在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行邊緣計(jì)算，其中涉及網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能。在核心網(wǎng)部分，廠(chǎng)商對(duì)帶寬的要求不斷放大，因此賽靈思方面認(rèn)為，數(shù)據(jù)中心將是一個(gè)重要市場(chǎng)。包括賽靈思在內(nèi)的大廠(chǎng)商已在斥巨資做大量的研發(fā)提供人工智能的能力、機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，還有異構(gòu)計(jì)算的解決方案。

而在FPGA市場(chǎng)，此前英特爾曾收購(gòu)賽靈思的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Altera，英特爾一大發(fā)力點(diǎn)也在于數(shù)據(jù)中心。此前，英特爾收購(gòu)eASIC，意在用eASIC把FPGA過(guò)渡到ASIC（專(zhuān)用集成電路）層面。而業(yè)界也有觀(guān)點(diǎn)提出，ASIC是否會(huì)接棒FPGA成為下一代熱捧的處理方案。

總結(jié)

較之從前，物聯(lián)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)存在明顯的差異，邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)部署需求呈現(xiàn)多樣化特征，只有對(duì)客戶(hù)需求把握準(zhǔn)確的公司才能逐步做大做強(qiáng)。在人工智能學(xué)習(xí)推理和圖像智能需求領(lǐng)域，GPU 大行其道推動(dòng)英偉達(dá)等公司迎來(lái)高速增長(zhǎng)，而 5G 邊緣計(jì)算時(shí)代，F(xiàn)PGA 將成為新的產(chǎn)業(yè)新重心。

相比其他異構(gòu)處理器，F(xiàn)PGA 更適配邊緣計(jì)算場(chǎng)景，其可針對(duì)每一種具體應(yīng)用，根據(jù)其算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度定制，達(dá)到較高的計(jì)算效率和能效；同時(shí)其與 GPU相比，F(xiàn)PGA 架構(gòu)能大幅優(yōu)化帶寬提升計(jì)算效率；并且在低時(shí)延與穩(wěn)定性上具備天然的優(yōu)勢(shì)。由此可看，5G 邊緣場(chǎng)景的多樣化將驅(qū)動(dòng)算力產(chǎn)業(yè)進(jìn)入 FPGA 時(shí)代。
編輯：lyn