从云端到边缘 AI推动FPGA应用拓展
近年来FPGA最引人关注的变化趋势之一就是应用领域不断拓展. 通信, 工控等是FPGA传统的应用市场, 然而近年来随着云计算, 大数据, 人工智能, 物联网等的发展, FPGA开始向新领域扩展.
微软亚洲研究院异构计算组副研究员张宸指出: '这些年人工智能的崛起, 依靠的是深度神经网络算法大型多层的网络模型, 典型的有循环神经网络和卷积神经网络为代表. 这样的模型一次推断 (inference) 通常需要数十亿甚至上百亿次的运算, 而在线的服务系统的响应时间在毫秒量级. 这就意味着每秒上万亿次 (TFLOPS) 甚至百万亿次的运算性能, 同时对器件的体积, 功耗还有一定的约束. 这使得我们期待数据中心的高性能计算硬件应当具备如下优势: 低延迟, 低开销和规模化. 在数据中心, FPGA 相比 GPU 的核心优势在于低延迟, 使用 FPGA 来加速的话, 只需要微秒级的 PCIe 延迟 (微软现在的 FPGA 是作为一块 PCIe 加速卡) , 对通信密集型任务, FPGA 相比 CPU, GPU 的优势就更大了. ' 时至今日, 微软已经在数十万台云服务器上部署了 FPGA . 微软目前也是在数据中心的 FPGA 应用上投入最大的互联网公司.
快速兴起的网络边缘计算对于FPGA的应用需求也在增加. 莱迪思半导体亚太区资深事业发展经理陈英仁表示: '受延迟, 隐私和带宽限制的驱动, FPGA正在被越来越多布署于物联网系统设备当中, 超低功耗灵活推理的需求亟待满足. ' Semico Research市场研究公司的数据显示, 使用人工智能的网络边缘设备数量将以110% 的复合年增长率爆发式增长.
高云半导体市场副总裁黄俊将新兴市场划分为三个部分: 首先在以消费电子为代表的智能终端设备中, 接口越来越丰富, 同时又需要保持小体积和低功耗, 这就要求底层器件可以更灵活地支持接口转换与胶合逻辑, 使得低密度FPGA有了更多用武之地. 其次, 越来越多的AI运算开始在边缘计算领域执行, 比如音视频的采集和预处理, 它们需要支持简单或中等复杂度的算法和IP, 这又给了中低密度FPGA 以机会. 最后, 云端需要支持高速SerDes, 高速FPGA正在成为必需.
概括而言, 人工智能, 大数据, 云计算, ADAS, 物联网, 机器人, 可穿戴设备, 5G通信设备, 网络交换, 工业控制, 金融设备, 安防监控, 视频驱动, 医疗仪器, 汽车电子, 家用电器, 信息安全等都将是未来FPGA的重要应用市场. 2017年全球FPGA规模市场约为50亿美元. 而日前高盛发布的报告中, 预测未来5年FPGA市场规模将达到100亿美元, 到2025年将增长到120亿美元.
从技术到品牌 国产FPGA追赶空间巨大
FPGA一直是个高度垄断的行业, 赛灵思, 英特尔 (Altera) , 微芯 (Microsemi) 和莱迪思几家美国企业垄断了全球绝大部分市场. 尽管理论上新兴市场的出现, 给新进入者带来更多发展机会, 但是在实际操作过程中面临的挑战依旧很大.
'有些新兴市场可望未必可及, 特别是对于高密度, 高性能的FPGA而言, 不仅硬件设计难度大, 中国企业在硬核IP资源上也存在滞后, 软核IP储备欠缺, 软件性能与国外厂家差距也很大. ' 黄俊指出.
京微齐力CEO王海力也认为, 从产品本身的水准来看, 中国企业想要发展起来还有很长的路要走. '五年的时间算少, 多的可能需要8到10年. ' 王海力说.
除了技术上的差距之外, 品牌认知上的差距也非常明显. '中兴事件只是在大环境上给了国内公司一些触动, 使它们认识到供应链管控的重要性. 可是落实到具体产品中的时候, 国内供应商遇到的困难还是很多, 客户对于国内企业的品牌认可度不高, 担心是否可以持续供货等, 甚至对于产品设计工具的学习都有一个过程. 方方面面加起来, 发展国产FPGA, 觉得压力还是非常大的. ' 黄俊表示.
从差异化竞争到自主可控 FPGA 3.0时代需要长期努力
那么如何才能实现国产FPGA的突破呢? 黄俊认为, 差异化是中国FPGA企业的必走之路. '国内厂商应该根据芯片本身的特点以及行业进入的难度出发, 从小处着眼, 从低密度FPGA产品开始突破, 逐渐向中高密度FPGA发展. 总之, 我们不能简单复制国外产品, 而要仔细研究细分市场, 新产品有什么特殊的需要, 然后对我们产品局部特性进行优化, 以适应用户需求. 比如现在很多智能设备的视频采集都会要求有高速接口, 我们就在芯片上把高速MIPI做好, 相比其他产品在同等密度下速度更快, 同时我们也会做更多类似的参考设计, 使应用更加便捷. 这些都是差异化的例子. ' 黄俊说.
建立自主的产业生态也非常重要. 王海力指出: '国外公司的专利技术中50%以上是保护核心架构的专利. 中国企业在发展过程中也应重视, 用户易用, 友好, 支持面向应用软IP库以及成熟的EDA工具性能, 是产品落地的重要一环. '
无论是差异化的市场策略, 还是产业生态体系的建立, 都是中国FPGA发展过程中的必修课. 而只有逐步建立起自主可控+自主创新FPGA产品体系, 首先体现在具备自主研发可编程逻辑器件核心架构的能力上, 其次体现在具备自主研发FPGA器件配套软件工具的能力上, 中国FPGA才算真正立足. 这是中国FPGA发展的关键.
根据王海力的观点, 中国FPGA产业大致可以划分为四个阶段: 从上世纪90年代到2005年, 可以算做中国FPGA的Pre-1.0时代. 那时的中国FPGA产业刚刚起步, 只能以反向设计为主, 芯片设计/软件开发人员只有百余人, 没有自己的架构, 工艺落后, 没有软件工具和应用开发人才, 只能逐步探索前进. 经过从无到有的积累, 2006年到2016年中国FPGA产业进入1.0时代. 中国FPGA拥有几百人的芯片设计/软件开发队伍, 有了自己的架构雏形, 使用一般的工艺, 拥用基础的软件工具和基础的应用软IP, 有能力进行正向设计, 开始培养国产FPGA的应用人才.
而现在正处于中国FPGA发展2.0时代, 大约会是2017年到2025年. 这一个从有到好的发展时期. 中国FPGA产业已经拥有上千名的芯片设计/软件开发人员. 经过努力将有可能形成完备的架构设计, 拥有采用先进工艺的能力, 好用的软件工具, 具备一部分行业软IP及解决方案, 形成完备的正向设计, 开始逐渐建立FPGA应用生态圈, 并形成上千人的国产FPGA开发的应用人才队伍.
至于3.0时代 (2026年2035年) 将是中国FPGA从好到强的发展阶段: 形成数千人的芯片设计/软件开发人员队伍, 采用创新架构设计和最先进制造工艺, 具有领先的软件工具, 完备的行业软IP及解决方案, 形成相对完整的FPGA应用生态圈, 国产FPGA开发的应用人才达到数万人.
希望中国FPGA产业能够早日实现腾飞.