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iPhone7采用FPGA会带来什么变化?

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本文摘要:多款工业应用于,还包括手执工具、POS等传统工业应用于,也还包括便携式血压计等手执医疗设备,牙科、胃镜等体内医疗应用于均可使用。FPGA市场正在转入较慢增长期FPGA堪称“万能芯片”,从技术角度谈,它是可编程的产品,在不转变芯片本身硬件构成的情况下可重复用于。根据市场变化,在某种程度载体上构建有所不同功能。

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多款工业应用于,还包括手执工具、POS等传统工业应用于,也还包括便携式血压计等手执医疗设备,牙科、胃镜等体内医疗应用于均可使用。FPGA市场正在转入较慢增长期FPGA堪称“万能芯片”,从技术角度谈,它是可编程的产品,在不转变芯片本身硬件构成的情况下可重复用于。根据市场变化,在某种程度载体上构建有所不同功能。

听得一起很幸福,但研发一起很艰难,能做到FPGA器件的厂商一定是大牛中的大牛,因为像英特尔(Intel)、德州仪器(TI)这样的半导体巨头也曾尝试转入这个市场,但都因为这样那样的原因铩羽而归。目前,全球范围内需要量产FPGA的企业屈指可数,Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi都是大家耳熟能详的美国企业。

FPGA是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半自定义电路,其优点还包括可以较慢成品、可被改动、可改正程序中的错误和更加低廉的耗资等。工程师对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,就可以构建想的逻辑。

FPGA还具备静态可反复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来改动。FPGA能已完成任何数字器件的功能,甚至是高性能CPU都可以用FPGA来构建。

FPGA如同一张白纸:加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读取片内编程RAM中,配备已完成后转入工作状态;掉电后,FPGA完全恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此FPGA需要重复用于。用于FPGA来研发数字电路,可以大大缩短设计时间,增加PCB印刷电路板的面积,提升系统的可靠性。

在FPGA内重复使用硬核CPU或硬核CPU,既能构建数字逻辑又能适应环境嵌入式研发。2014年,全球FPGA市场总规模超过50亿美金,其中,中国的市场份额有将近17亿美金,中国市场占到全球市场的三分之一。

分析机构预计2015年至2020年全球FPGA市场的年填充增长率为9%,到2020年,全球FPGA市场规模将约84亿美金。目前FPGA正处于一个加快快速增长的市场势态中,增长幅度远大于其他芯片市场;同时,FPGA行业平均值毛利相当可观,据市场数据分析指出其行业平均值毛利小于60%。FPGA行业也必须更大的市场规模,以更有更好的使用者。

预计随着FPGA产量逐步减少,成本的更进一步减少,其市场份额将不会持续减小。目前FPGA的主要应用领域是通讯、工控、国防、消费,近年来FPGA最引人关注的变化趋势之一就是应用领域大大扩展。

在FPGA传统应用于市场方面,通信逐步构建高速、简单协议,消费电子应用于则侧重低功耗、低成本。此外,FPGA还普遍应用于医疗电子、安防、视频、工业自动化、语音网络、半导体生产设备以及家电等领域。

FPGA在工业中的应用于主要牵涉到四大领域,分别是马达掌控、工业网络、机器视觉和机器人掌控。以马达掌控为事例,重点是必须减少噪音、增加震动、减少EMI,同时取得更高的控制精度和增加能源消耗等。目前在全球市场中,Xilinx、Altera两大公司对FPGA的技术与市场依然占有意味著独占地位。两家公司占据将近90%市场份额,专利约6000余项之多;剩下市场份额主要被Lattice和Microsemi所占据,这两家的专利也约3000多项。

2014年Xilinx、Altera两大公司营收分别为23.8亿美元和19.3亿美元;而2014年Lattice和Microsemi(仅有FPGA部分)两公司营收为3.66亿美元和2.75亿美元。这前四大FPGA市场领先者完全独占了FPGA的市场份额。

FPGA市场前景诱人,但是门槛之低在芯片行业里无出其右。全球有60多家公司先后耗资数十亿美元,前赴后继地尝试登顶FPGA高地,其中少有英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄,但是最后登顶顺利的只有坐落于美国硅谷的四家公司-Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi。上述4家公司握9000余项专利,如此之多的技术专利包含的技术壁垒当然高不可攀。

摩尔定律与Intel并购Altera的云计算企图去年,英特尔以167亿美元的代价将FPGA第二大公司Altera收益囊中。当时英特尔CEOBrianKrzanich曾回应,英特尔的茁壮策略是拓展核心资产以转入低利润、有序的市场空间,通过这次收购英特尔可以把摩尔定律推上更佳、更加强劲的下一代解决方案。企业用户希望在强化的网络、大型云数据中心及物联网领域取得性价比更高的性能,而这正是摩尔定律及英特尔与Altera联合牵头创意所能构建的。那么,为什么英特尔肯花如此低的价格(差不多8倍市销率)收购这家公司?作者注意到,就在2014年,微软公司牵头了亚马逊、谷歌及多所一流大学在IEEE公开发表了一篇为题《提高大型数据中心的可配备架构》(AReconfigurableFabricforAcceleratingLarge-ScaleDatacenterServices)的长篇论文,该论文的参与方还包括来自Altera和Quanta两家公司的技术支持,这篇论文里所牵涉到的项目被命名为“Catapult”,这是微软公司研究院大力前进的一个保守项目。

在云计算时代,微软公司研究院仍然在积极思考如何改良当前的云基础架构。现在的云基础设施由于快速增长的速度过慢,当云数据中心多达一定规模后将面对稳定性及可持续性的挑战,微软公司研究院积极思考能否有其它可替代技术构建云数据中心的可持续快速增长,这项技术就是FPGA现场可编程门阵列。从1985年问世了全球首款FPGA产品以来,FPGA的应用于渐渐从数字信号处理、高速串行收发器扩展到嵌入式处理器。

FPGA被普遍应用于通信、消费电子、工业掌控、测试测量等微型电子电气领域,但完全没被应用于大型数据中心。微软公司研究院于2014年6月宣告顺利已完成测试,把FPGA技术(而不是GPU技术)应用于Bing云数据中心,其效果还包括比起于传统服务器在处置Bing的自定义算法时快出有40倍、比Bing现有的系统慢出有2倍、可削减一半现有服务器数量等。FPGA技术加快了大量数据在服务器上的处理过程,协助解决问题大数据难题,符合了极大的分布式工作阻抗市场需求。

《提高大型数据中心的可配备架构》(AReconfigurableFabricforAcceleratingLarge-ScaleDatacenterServices)这篇论文,谈的就是如何在Bing上测试FPGA技术。2014年9月,百度较慢第一时间,宣告将把FPGA技术用作自己的数据中心。这意味著未来数据中心极大的市场空间将有可能依赖FPGA来达成协议,而对于英特尔过去市场占有率较为较低的通信与网络市场,与Altera的融合未来将会关上这一市场空间。FPGA在云数据中心的应用于,将从CPU与FPGA线性用于、向CPU与FPGA包用于、再行向CPU与FPGA统合用于发展,在卷积神经网络算法展开图像识别、加密算法展开安全控制、压缩算法展开大数据处理等方面充分发挥最重要起到。

微软公司的研究指出,FPGA的功耗大约是高端GPU的1/10,但高端GPU的图像处理能力是FPGA的2到3倍,而由多个FPGA构成的集群能超过GPU的图像处理能力并维持低功耗的特点。根据英特尔预计,到2020年,将有1/3的云数据中心节点使用FPGA技术。在物联网方面,Altera的FPGA技术与英特尔的Atom芯片融合,未来将会在工业自动化掌控市场和高级驾驶员助理系统市场代替现有的技术,在2020产生110亿美元的增量可服务市场。由于使用了FPGA技术,用户可以自行编程代替现有专用标准电路(ASSP)和专用集成电路(ASIC),为关键IoT应用于减少新功能、提升性能、降低成本并削减产品上市时间约50%。

当前,FPGA市场的竞争正在发生变化,应用领域大大拓宽。之前,FPGA在相当大程度上受到通信市场主导,但工业智能化、汽车电子化以及物联网的发展,造成对可灵活性编程的FPGA市场需求大幅提高,FPGA厂商偏向于向解决方案商改变,大力研发消费类市场。而与英特尔这样的大厂的合作,或将要求市场的主导解决方案地位。一旦英特尔与Altera的解决方案占到主导地位,程序员和工程师将涌进这个技术方向,并将更进一步稳固英特尔的市场地位。

2014年6月,英特尔宣告将业界领先的Xeon处理器和FPGAPCB到一个单一结构中,其插槽和标准的Xeon处理器相容。英特尔称之为FPGA将能为英特尔的客户获取一个更加强劲的算法继续执行能力和更高的性能。而业界有研究指出,基于FPGA的加速器将能带给10倍以上的性能提高,而英特尔则称之为其还能在此基础上带给更加多两倍提高,其还在FPGA和处理器之间使用了超低延后的模块。

也就是说,英特尔通过使用FPGA能给基于服务器的应用于带给20倍以上的速度加成反应!而到了9月份,Altera开始与百度公司在百度的深度自学应用于中用于FPGA和卷积神经网络(CNN)创建合作关系。百度称之为FPGA的加快享有极大的应用于潜力,将协助FPGA了解到主流异构计算领域。利用AlteraFPGA硬核IEEE754浮点乘法器和加法器等可编程能力和特性,服务器和数据中心符合了搜寻、大数据和深度自学等领域更加简单的市场需求。

据估计,全球数据中心的电力消耗占了全球总电力消耗的1%-10%,而且随着数据量的快速增长,电力消耗也在随之较慢下降。现在,在减少能耗快速增长的同时还之后确保获取更加慢计算能力早已沦为了一个极大的经济和生态问题。今天的数据中心都创建在廉价的电力基础上,数据中心的大小和吞吐量受到了可输出电力和排热能力的容许。

像微软公司、谷歌、Facebook和eBay这样相当严重倚赖服务器的公司都有充足的动力为提升代码执行速度和减少电费而希望。与此同时,随着摩尔定律早已在大约50年的长跑之后将要南北落幕,我们的单核处理器的功率问题早已跑到了无限大,功耗的提升速度早已多达了性能提升的速度。

然后我们有了双核、四核甚至八核乃至更加多核心的芯片。最后,为了填补底层半导体工艺的持续改良的缺少,我们正在找寻其它方法。

如果只是等候更佳的半导体材料来解决问题数据中心的后遗症并不是一个不切实际的自由选择。FPGA为何需要在功耗更加较低的情况下为计算能力带给大幅度的提高呢?对于特定的算法,基于FPGA的硬件需要获取细分度很高的并行计算——延后更加较低、吞吐量更高而且功耗更加较低。另外值得注意的是英特尔并非第一家计划量产带上FPGA的异构处理器的公司。Xilinx早已凭借其Zynq系列在这一市场力战了好几年了,这一系列使用的具有XilinxFPGA架构的ARM处理器。

尽管Zynq并不是一款数据中心级别的处理器,事实上差距还十分大,但Xilinx凭借其在Zynq上取得经验和工具累积将能让其在未来的低功耗服务器市场争夺战中占有一席之地。从FPGA的五大市场来看,工业、通信等领域已占有大约七成的市场份额,计算机应用、医疗设备发展很快,低成本低功耗的FPGA进占消费类市场。随着通信、工业掌控、机器人、视频分析乃至消费类市场的发展,FPGA的市场规模更为可观。近来也有观点传达出有FPGA意欲代替CPU沦为主芯片的有可能,同时,投资大门槛低的FPGA在国产化方面能否持续结实地获得发展。

FPGA能否沦为摩尔定律过热的毒药呢?Lattice是唯一的消费电子FPGA供应商吗?前面笔者曾多次提及,整个全球FPGA市场现在被4家美国公司完全垄断,并且Altera和Xilinx两家公司独占了市场的88%左右,而对于中国本土公司来说,FPGA完全是个空白,目前及将来仍将大量倚赖进口。如果再行遇上一次中兴停售危机,对任何企业来说有可能都是灭顶之灾,而FPGA的快速增长将对中国带给更加多挑战,中国何时需要补足这块半导体积木中的最重要一块,是政府和各大厂商都在注目的重点。不过据笔者手头获得的一份产品资料,早已有国内企业顺利地研发出与LatticeiCE系列同款的相容器件,并已在市场上销售。

所以笔者对于国人需要最后攻下美国人构筑的FPGA堡垒并不过于担忧。这家不但有相容Lattice的器件,更好的是相容Altera中低端芯片的器件。(为了防止广告指控,兹将公司名称读取)三星的Galaxy系列中也曾经常出现过这家国内厂商的身影,可以侧面证实并非是偏移设计,否则三星这样的大厂商很顾忌知识产权问题会订购。

FPGA的未来随着智能化市场需求变化越来越快,自定义芯片(SoCasic)项目巨减半趋势已不可逆。使用ASIC方案的投资量大幅度减少,周期长,市场风险大幅度增大。而相对来说FPGA技术于是以渐渐在向主流迈向。

FPGA享有并行计算优势,在高性能、多通道领域可以替换部分ASIC和DSP,FPGA的并行计算在多通道处置方面可以对传统的ASIC方案展开优化。以5万片流片为临界点,FPGA在低价值、批量比较较小、多通道计算出来的专用设备(如雷达、航天飞机、路由器)有代替ASIC的趋势,这将是Xilinx坚守的地盘。

FPGA开发周期比ASIC较低55%,可以用来较慢抢占市场。这或许是Lattice在批量较小的消费电子市场最重要的胜负手。而Intel治下AlteraFPGA的终极目标,应当是利用其在高性能低功耗及在深度自学的优势,最后带入CPU技术中,成就异构计算数据中心的明天。

从资本市场来看,之前紫光集团刚已完成对Lattice的少量大股东不道德,Lattice(LSCC)目前在纳斯达克上市,总市值不多达8亿美元,比起Altera167亿美元的收购价,这样的体量称得上一个理想的并购目标,全球的FPGA企业一共也只有这4个标的旳(Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi),Intel早已卖给Altera,Xilinx作为行业大哥继续不大会买,而剩下的两个匮乏标的旳变卖一个较少一个。趁着转入iPhone7供应链的东风,不告诉Lattice今年不会会市值上涨,沦为大佬们争夺战的目标。不过看上去美国政府多半会批准后中国公司并购这么关键技术的脆弱公司,所以中国本土的FPGA企业一定要快马加鞭,谋求早日构建替代进口,这样方能挣脱受制于人的局面。

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