FPGA可堪大算力？

AI催生的大算力為諸多處理器企業(yè)帶來(lái)了實(shí)打?qū)嵉臓I(yíng)收，相比之下，面對(duì)AI這波紅利，高端FPGA市場(chǎng)顯得有些“落寞”。

“輔助者”的角色

現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心中，F(xiàn)PGA的角色更像是個(gè)“輔助者”。

ASIC流片前的硬件仿真或原型驗(yàn)證平臺(tái)，是FPGA的第一重身份。

相較于CPU、GPU，F(xiàn)PGA作為一種具有可編程特性的集成電路，靈活性更強(qiáng)。GPU等類型處理器一經(jīng)生產(chǎn)，其邏輯功能就被“固化”在芯片上，盡管很多芯片可以通過(guò)對(duì)片上寄存器進(jìn)行編程，但這種編程更多是改變芯片的配置，并不會(huì)改變其本身的邏輯功能。如果想要對(duì)它的邏輯功能進(jìn)行更改，或者修復(fù)設(shè)計(jì)的缺陷和漏洞，就要重新對(duì)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造，這一過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力、金錢，也將為設(shè)計(jì)公司帶來(lái)更高的投入和風(fēng)險(xiǎn)。

而FPGA只包含最基本的邏輯門，通過(guò)某種方式對(duì)這些邏輯門進(jìn)行排列組合，就能通過(guò)編程改變其邏輯結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，包括算力芯片企業(yè)在內(nèi)的處理器供應(yīng)商，都會(huì)采購(gòu)FPGA進(jìn)行流片前的硬件預(yù)研工作。

FPGA的另一重身份，被業(yè)內(nèi)戲稱為“像膠水一樣的功能”——把不同類型處理器更好地連接在一起，從而幫助整個(gè)處理器系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用。

加速推理是其一。

“AI技術(shù)很大一部分應(yīng)用是在推理側(cè)。FPGA通過(guò)其硬件靈活性、低延遲、低功耗，以及能夠與CPU等一同運(yùn)行混合計(jì)算等優(yōu)勢(shì)，為 AI 推理提供了有效加速。而且，在諸如運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的矩陣運(yùn)算等并行性密集型任務(wù)或應(yīng)用場(chǎng)景中，使用FPGA能夠顯著提高 AI 推理的性能和效率?！蹦矲PGA業(yè)內(nèi)人士在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)這樣說(shuō)道。

提高通用處理器計(jì)算能力是其二。

FPGA通過(guò)其靈活的硬件加速能力、可配置的豐富接口如PCIe Gen5和CXL，及可與處理器協(xié)同工作等特性，為處理器提供了強(qiáng)大的支持，使其更好地滿足日益復(fù)雜的AI計(jì)算需求。如，F(xiàn)PGA可以與通用處理器協(xié)同工作，形成混合計(jì)算環(huán)境，即處理器和FPGA相互補(bǔ)充，共同應(yīng)對(duì)不同類型的計(jì)算任務(wù)，提供更全面的計(jì)算性能。此外，業(yè)界還在通過(guò)開(kāi)源軟件套件等，助力客戶靈活運(yùn)行多種AI工作負(fù)載、降低總體擁有成本（TCO）的嘗試。

開(kāi)發(fā)難度大

AI幾乎為各種類型的處理器帶來(lái)了難得的增長(zhǎng)風(fēng)口。數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)更是由于產(chǎn)品價(jià)值量大、利潤(rùn)率高，獲得了相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)關(guān)注。近兩年，頭部算力芯片企業(yè)如英偉達(dá)，入局芯片設(shè)計(jì)市場(chǎng)的云計(jì)算廠商如谷歌，如雨后春筍般出現(xiàn)的新興算力芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，都在頻頻更新自己的產(chǎn)品序列和技術(shù)參數(shù)。

相比之下，F(xiàn)PGA顯得不是那么活躍。

AMD當(dāng)前面向數(shù)據(jù)中心側(cè)的高端旗艦產(chǎn)品仍是2021年開(kāi)始量產(chǎn)出貨的Versal產(chǎn)品組合，包括Versal AI Core、Versal Prime和Versal Premium三大產(chǎn)品系列。收購(gòu)FPGA企業(yè)賽靈思后，AMD是全球最大的FPGA廠商。

Altera FPGA產(chǎn)品序列（圖源：英特爾官網(wǎng)）

Altera當(dāng)前面向數(shù)據(jù)中心側(cè)的旗艦產(chǎn)品Agilex發(fā)布于2019年，基于英特爾10納米工藝設(shè)計(jì)。其間，產(chǎn)品序列逐漸擴(kuò)充。其中，面向數(shù)據(jù)中心的Agilex 9、Agilex 7F系列和I系列旗艦已經(jīng)投入生產(chǎn)。

與兩家企業(yè)其他面向AI算力的產(chǎn)品相比，F(xiàn)PGA產(chǎn)品線的更新速度難以同日而語(yǔ)。

之所以出現(xiàn)這種狀況，“開(kāi)發(fā)難度大”是記者了解到的一個(gè)非常重要的原因。

西南交通大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)邸志雄在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，F(xiàn)PGA是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片，所以開(kāi)發(fā)門檻和部署難度相較于GPU等算力芯片更大。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner副總裁盛陵海在接受記者采訪時(shí)表示，相較于FPGA，NPU等ASIC不需要滿足通用性的要求，只要滿足單一功能要求就可以了，因此設(shè)計(jì)起來(lái)更為簡(jiǎn)單。

“這也就是近兩年NPU廠商如雨后春筍般出現(xiàn)，但能做高端FPGA的廠商至今只有兩家的原因之一。”盛陵海補(bǔ)充道。

面臨算力芯片市場(chǎng)擠占

更新迅速的算力芯片的盈利能力也比FPGA更強(qiáng)。英偉達(dá)等公司推出的計(jì)算卡集成度高、規(guī)模大、采用的工藝節(jié)點(diǎn)也更新很快，從而能夠承接增長(zhǎng)迅速的算力需求。相比之下，F(xiàn)PGA的工藝節(jié)點(diǎn)更新和性能提升速度便難以企及，從而難以突破原有的“舒適圈”。

半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)資深人士李國(guó)強(qiáng)在接受采訪時(shí)表示，F(xiàn)PGA在驗(yàn)證AI芯片結(jié)構(gòu)的合理性方面，的確有其自身價(jià)值，但在承接AI高算力需求時(shí)，與AI芯片相比，性能差別很大。

AMD在擁有全球最大FPGA業(yè)務(wù)的同時(shí)，也是全球第二大數(shù)據(jù)中心側(cè)CPU和GPU的供應(yīng)商。從2024年第二季度財(cái)報(bào)來(lái)看，其數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)營(yíng)收（含GPU和CPU）為28億美元，嵌入式業(yè)務(wù)（含F(xiàn)PGA）營(yíng)收為8.61億美元。不難看出，二者并不在一個(gè)數(shù)量級(jí)。加之，AMD嵌入式業(yè)務(wù)中，面向邊、端側(cè)的業(yè)務(wù)還有相當(dāng)比重，則面向數(shù)據(jù)中心的FPGA業(yè)務(wù)占比就更低。這恐怕也是AMD在產(chǎn)品投入和宣傳力度上，對(duì)數(shù)據(jù)中心側(cè)CPU、GPU與FPGA差別巨大的原因。一如今年6月，AMD 董事會(huì)主席兼首席執(zhí)行官蘇姿豐在 COMPUTEX2024上發(fā)表的長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多小時(shí)的演講中，面向數(shù)據(jù)中心的嵌入式業(yè)務(wù)幾乎未提。

不僅如此，F(xiàn)PGA原本在數(shù)據(jù)中心發(fā)揮的作用，還面臨著被新型算力芯片替代的風(fēng)險(xiǎn)。

李國(guó)強(qiáng)表示，新發(fā)布的AI芯片由于規(guī)模大，逐漸集成了許多原本其他芯片擁有的功能，這樣一來(lái)，原本用以輔助處理器提高計(jì)算效率、補(bǔ)足計(jì)算和系統(tǒng)功能的FPGA的部分功能被替換掉。“就像手機(jī)芯片一樣，隨著主芯片的功能集成度越來(lái)越高，外圍其他芯片的市場(chǎng)價(jià)值便被擠占了?！彼f(shuō)。

但不論在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用規(guī)模是否有所縮減，F(xiàn)PGA作為芯片驗(yàn)證功能的市場(chǎng)需求持續(xù)存在。這是一個(gè)其他產(chǎn)品類型無(wú)法替代的市場(chǎng)空間。雖然規(guī)模不大，但是穩(wěn)定增長(zhǎng)，只是增速不如算力芯片等顯著而已。這也就是FPGA芯片供應(yīng)商，即便營(yíng)收有大幅變化，但利潤(rùn)率基本保持穩(wěn)定的原因。

作者丨姬曉婷編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東