從云端到邊緣推動(dòng)FPGA應(yīng)用拓展

一直以來，FPGA的應(yīng)用很大程度受到通信市場(chǎng)主導(dǎo)，但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能汽車以及物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的發(fā)展，F(xiàn)PGA的需求大增，F(xiàn)PGA的市場(chǎng)重心也在發(fā)生轉(zhuǎn)變。

從云端到邊緣推動(dòng)FPGA應(yīng)用拓展

近年來FPGA最引人關(guān)注的變化趨勢(shì)之一就是應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。通信、工控等是FPGA傳統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)，然而近年來隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展，F(xiàn)PGA開始向新領(lǐng)域擴(kuò)展。

首先在以消費(fèi)電子為代表的智能終端設(shè)備中，接口越來越豐富，同時(shí)又需要保持小體積和低功耗，這就要求底層器件可以更靈活地支持接口轉(zhuǎn)換與膠合邏輯，使得低密度FPGA有了更多用武之地，比如Lattice在此領(lǐng)域就非常領(lǐng)先。其次，越來越多的AI運(yùn)算開始在邊緣計(jì)算領(lǐng)域執(zhí)行，比如音視頻的采集和預(yù)處理，它們需要支持簡(jiǎn)單或中等復(fù)雜度的算法和IP，這又給了中低密度FPGA 以機(jī)會(huì)。最后，云端需要支持高速SerDes，高速FPGA正在成為必需。

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FPGA之互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

微軟亞洲研究院異構(gòu)計(jì)算組副研究員張宸指出：“這些年人工智能的崛起，依靠的是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法大型多層的網(wǎng)絡(luò)模型，典型的有循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表。這樣的模型一次推斷（inference）通常需要數(shù)十億甚至上百億次的運(yùn)算，而在線的服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí)。這就意味著每秒上萬億次（TFLOPS）甚至百萬億次的運(yùn)算性能，同時(shí)對(duì)器件的體積、功耗還有一定的約束。這使得我們期待數(shù)據(jù)中心的高性能計(jì)算硬件應(yīng)當(dāng)具備如下優(yōu)勢(shì)：低延遲，低開銷和規(guī)?；?。在數(shù)據(jù)中心，F(xiàn)PGA 相比 GPU 的核心優(yōu)勢(shì)在于低延遲，使用 FPGA 來加速的話，只需要微秒級(jí)的 PCIe 延遲（微軟現(xiàn)在的 FPGA 是作為一塊 PCIe 加速卡），對(duì)通信密集型任務(wù)，F(xiàn)PGA 相比 CPU、GPU 的優(yōu)勢(shì)就更大了?！睍r(shí)至今日，微軟已經(jīng)在數(shù)十萬臺(tái)云服務(wù)器上部署了 FPGA 。微軟目前也是在數(shù)據(jù)中心的 FPGA 應(yīng)用上投入最大的互聯(lián)網(wǎng)公司。

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FPGA之邊緣計(jì)算

快速興起的網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算對(duì)于FPGA的應(yīng)用需求也在增加。萊迪思半導(dǎo)體亞太區(qū)資深事業(yè)發(fā)展經(jīng)理陳英仁表示：“受延遲、隱私和帶寬限制的驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)PGA正在被越來越多布署于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，超低功耗靈活推理的需求亟待滿足?！盨emico Research市場(chǎng)研究公司的數(shù)據(jù)顯示，使用人工智能的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備數(shù)量將以110％的復(fù)合年增長(zhǎng)率爆發(fā)式增長(zhǎng)。

概括而言，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、ADAS、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備，5G通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換、工業(yè)控制、金融設(shè)備、安防監(jiān)控、視頻驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療儀器、汽車電子、家用電器、信息安全等都將是未來FPGA的重要應(yīng)用市場(chǎng)。2017年全球FPGA規(guī)模市場(chǎng)約為50億美元。而日前高盛發(fā)布的報(bào)告中，預(yù)測(cè)未來5年FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億美元，到2025年將增長(zhǎng)到120億美元。

從技術(shù)到品牌

國(guó)產(chǎn)FPGA追趕空間巨大

FPGA一直是個(gè)高度壟斷的行業(yè)，賽靈思、英特爾（Altera）、微芯（Microsemi）和Lattice幾家美國(guó)企業(yè)壟斷了全球絕大部分市場(chǎng)。盡管理論上新興市場(chǎng)的出現(xiàn)，給新進(jìn)入者帶來更多發(fā)展機(jī)會(huì)，但是在實(shí)際操作過程中面臨的挑戰(zhàn)依舊很大。

有些新興市場(chǎng)可望未必可及，特別是對(duì)于高密度、高性能的FPGA而言，不僅硬件設(shè)計(jì)難度大，中國(guó)企業(yè)在硬核IP資源上也存在滯后，軟核IP儲(chǔ)備欠缺，軟件性能與國(guó)外廠家差距也很大。

從產(chǎn)品本身的水準(zhǔn)來看，中國(guó)企業(yè)想要發(fā)展起來還有很長(zhǎng)的路要走?！拔迥甑臅r(shí)間算少，多的可能需要8到10年。

除了技術(shù)上的差距之外，品牌認(rèn)知上的差距也非常明顯。“中興事件只是在大環(huán)境上給了國(guó)內(nèi)公司一些觸動(dòng)，使它們認(rèn)識(shí)到供應(yīng)鏈管控的重要性?？墒锹鋵?shí)到具體產(chǎn)品中的時(shí)候，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商遇到的困難還是很多，客戶對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)的品牌認(rèn)可度不高，擔(dān)心是否可以持續(xù)供貨等，甚至對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具的學(xué)習(xí)都有一個(gè)過程。方方面面加起來，發(fā)展國(guó)產(chǎn)FPGA，覺得壓力還是非常大的。

從差異化競(jìng)爭(zhēng)到自主可控

FPGA領(lǐng)域需要長(zhǎng)期努力

那么如何才能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)FPGA的突破呢？差異化是中國(guó)FPGA企業(yè)的必走之路。國(guó)內(nèi)廠商應(yīng)該根據(jù)芯片本身的特點(diǎn)以及行業(yè)進(jìn)入的難度出發(fā)，從小處著眼，從低密度FPGA產(chǎn)品開始突破，逐漸向中高密度FPGA發(fā)展?？傊?，我們不能簡(jiǎn)單復(fù)制國(guó)外產(chǎn)品，而要仔細(xì)研究細(xì)分市場(chǎng)，新產(chǎn)品有什么特殊的需要，然后對(duì)我們產(chǎn)品局部特性進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)用戶需求。比如現(xiàn)在很多智能設(shè)備的視頻采集都會(huì)要求有高速接口，我們就在芯片上把高速M(fèi)IPI做好，相比其他產(chǎn)品在同等密度下速度更快，同時(shí)我們也會(huì)做更多類似的參考設(shè)計(jì)，使應(yīng)用更加便捷。這些都是差異化的例子。

無論是差異化的市場(chǎng)策略，還是產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的建立，都是中國(guó)FPGA發(fā)展過程中的必修課。而只有逐步建立起自主可控+自主創(chuàng)新FPGA產(chǎn)品體系，首先體現(xiàn)在具備自主研發(fā)可編程邏輯器件核心架構(gòu)的能力上，其次體現(xiàn)在具備自主研發(fā)FPGA器件配套軟件工具的能力上，中國(guó)FPGA才算真正立足。這是中國(guó)FPGA發(fā)展的關(guān)鍵。

希望中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)能夠早日實(shí)現(xiàn)騰飛.