上世紀中葉開始，半導體行業隨著摩爾定律呈指數狀發展。隨著摩爾定律，每過18個月晶片整合度翻一番，導致晶片平均成本快速下降；同時，隨著特徵尺寸變小，晶片上電晶體的效能也隨著摩爾定律快速上升。

當然，晶片效能隨著工藝製程高速發展也帶來了一些副作用，就是工程師過多依賴新制程帶來效能提升。處理器晶片的效能大體上可以表達為：

效能=架構x物理實現

這裡的架構就是處理器的邏輯電路設計，而物理實現則包括了工藝製程、標準單元庫效能、後端佈局佈線等等。在摩爾定律最紅火的年頭，一代工藝製程的差距可以秒殺架構上的優勢；換句話說，即使你的架構設計再領先，一旦在工藝製程上落後了，那麼你的產品就很可能要失敗。即使像Intel這樣聚集了全球最頂尖架構設計精華的公司，也要走tick-tock路線，即一代產品不改架構，搶先用新的工藝製程實現，然後第二代產品保持工藝製程不變，而再去做架構上的最佳化。

然而，隨著摩爾定律越來越接近工藝極限，現在的架構設計變得越來越重要。在特徵尺寸越來越小時，量子效應越來越顯著，因此新制程的研發成本越來越高，幾乎到了難以負擔的地步，因此新制程的研發速度越來越慢，TSMC、Intel、三星等半導體巨頭新的工藝製程時間表充滿了不確定的因素，因此晶片的效能進步越來越多地取決於如何最佳化架構設計，而非如何搶佔新工藝。

隨著摩爾定律接近終結，晶片行業的增長率下降，而使用新工藝製程的成本則快速上升

在這種情況下，異構計算就得到了越來越多的關注。在摩爾定律飛速發展的時代，大家往往傾向於使用同一種通用晶片（如CPU），因為為通用晶片開發軟體比較方便；如果CPU暫時不夠強大無法流暢執行你的程式碼也不要緊，只要等個半年一年使用新工藝製程的CPU出現通常就能完美執行你的高計算量的程式碼了。然而，到了今天，大家發現通用處理器的效能上升越來越慢，同時隨著物聯網等邊緣計算應用的興起，使用CPU消耗的功耗太大，因此大家覺得還是得為了應用開發專用的晶片，用高度最佳化的架構來實現高效能。

FPGA成為市場的寵兒

在異構計算中，FPGA是重要的設計實現方法。FPGA是一種特殊的晶片，它透過片上儲存器和查詢表來實現邏輯。因此，如果你改寫片上儲存器和查詢表的內容，就可以重配置FPGA的邏輯，從而讓FPGA實現不同的功能。FPGA因為有這樣高度的靈活性，在過去常常用於晶片正式流片前的功能驗證。當然，FPGA也有其缺點，就是之前所說的物理實現。FPGA為了滿足可充配置的特性，可以粗略地認為犧牲了物理實現，因此同樣的設計在專用晶片ASIC上的時鐘頻率往往是FPGA 的5-10倍。但是在今天的異構計算中，FPGA由於架構可以根據應用隨時定製，因此可以實現非常高效的架構，因此彌補其在物理實現上的劣勢。因此，FPGA近幾年在移動端（無人機）和雲端資料中心等應用場景都獲得了不小的市場份額。

FPGA在Amazon AWS中的應用成為了AWS的新亮點

雖說FPGA能讓設計根據應用快速調整最優架構，但是其物理實現上的劣勢還是成為了FPGA進一步推廣的瓶頸。那麼我們能否進一步改善FPGA的物理實現呢？

我們首先看一下FPGA的物理實現瓶頸在哪裡？傳統FPGA的組成包括邏輯資源（CLB）和佈線資源兩類。邏輯實現基於查詢表，雖然可能比標準邏輯要慢一些，但是可以透過插入pipeline等方法來提升。

而佈線資源對於FPGA來說則是更加寶貴。對於ASIC，走線非常隨意，在邏輯單元上方走線也沒關係，但是傳統FPGA的走線則必須走固定的routing channel，並且經過switch box。這樣的限制大大降低了FPGA中設計的最高工作頻率。可以說，佈線資源是目前FPGA效能的最大瓶頸。在這種情況下，業界又在尋找新的解決辦法。

Efinix橫空出世，革FPGA的命？

日前，賽靈思、三星電子和香港X科技基金向初創公司Efinix投資的新聞引起了業界的轟動。後者作為一家“革命性”的FPGA公司，給沉悶已久的FPGA市場帶來了一些新的動力。

據IEEE報道，Efinix 公司總部位於美國加利福尼亞州聖克拉拉市，他們計劃用一種全新的 FPGA技術來設計晶片， Efinix 公司把此技術稱為Quantum FPGA。

他們提出了一種新的理念：那就是在拋棄具有專用功能的每個電路板格（這些電路板格被稱為可交換邏輯和路由處理器）的基礎上，每一個電路板格都可以根據特定目的被程式設計。顛覆了過去FPGA的基本架構。也就是說，Efinix的新FPGA最大的特點就是在佈線資源方面做出了突破。

傳統的FPGA中，用於佈線的單元和用於實現邏輯功能的單元是分開的，這也造成了佈線的困難並限制了效能。在Efinix提出的Quantum FPGA技術中，一個單元既可以是邏輯單元，又可以是佈線單元，可以根據需要靈活配置。這樣一來，Efinix的Quantum FPGA的佈線可以更加靈活，因此可以實現更高的速度和更低的功耗。據介紹，晶片尺寸只有現在的四分之一，而且能耗只有傳統晶片的一半，結構也沒有過去那麼複雜了。

過去，訓練人工智慧和深度學習需要依賴中央計算機和伺服器產生大量資料，而現在，依靠這一系列最佳化功能組合，可以推動人工智慧和深度學習更加輕鬆。

從產品技術應用上看，Efinix的Quantum FPGA首先可以替代傳統FPGA，在設計驗證和異構計算等場合得到應用。在異構計算領域，由於Quantum FPGA在效能上比傳統FPGA有不少優勢，因此可望能實現基於FPGA的異構計算方案的進一步普及。

Efinix的目標市場包括少於邏輯單元數量少於15K的IoT 和移動應用的超低功耗應用；邏輯單元數量在15K 到 150K 之間的傳統應用（工業、醫學、汽車、廣播和影片）和新興市場領域（無人機、自動駕駛汽車、邊緣計算和各種智慧系統）；以及邏輯單元數量從150K 到 500K及以上的資料中心應用。Efinix CEO 張少逸在IEEE Spectrum的訪談中表示，Efinix的FPGA方案可望能把 FPGA市場規模再拓展一倍，由現在的50億美金市場規模變為100億美金。 因此說這難保對FPGA市場造成一定的衝擊。

除了傳統FPGA的市場之外，Efinix在最近很火熱的嵌入式FPGA市場也有佈局。嵌入式FPGA是指把FPGA電路IP整合到SoC上面，這樣SoC也可以藉助FPGA的可配置性實現更靈活的工作方式。在嵌入式FPGA領域，Flex Logix可謂是當仁不讓的明星，目前已經獲得了一千二百萬美金的投資。而Efinix也在計劃把自己的Quantum FPGA以IP的形式整合到合作廠商的SoC中去，作為在嵌入式FPGA市場的佈局。

除此之外，大家最關心的恐怕是Efinix的出現是否會對目前市場上Xilinx和Intel在FPGA領域的壟斷地位造成威脅。答案是——Efinix應該不會對Xilinx造成任何威脅，因為Xilinx是Efinix的早期投資者，目前Efinix和Xilinx在許多方面正在緊密合作中。Efinix CEO 張少逸在IEEE Spectrum的訪談中明確表示Efinix不會挑戰Xilinx，而是想和Xilinx一起把FPGA市場的蛋糕一起做大；而Xilinx高階副總裁Salil Raje則在同一個訪談中大讚Efinix，並且說期待未來和Efinix更緊密的合作。因此，Efinix可以看作是Xilinx陣營的新興技術公司，一旦其技術得到市場認可，很可能會被Xilinx高價收購。當然，對於Intel來說，Efinix就是競爭對手了。不過，Efinix的產品預計在2017年年底推出樣品，而在2018年下半年正式釋出多款產品，因此Intel暫時還可以先不用太緊張，等Efinix正式產品量產後再做打算。

Efinix的投資方中位列第一的就是Xilinx，預計Efinix將與Xilinx之間有非常多的合作

結語

隨著摩爾定律遇到瓶頸，基於FPGA的異構計算得到了越來越多的應用。傳統FPGA雖然能實現非常高效的專用架構，但是其佈線資源的侷限性成為了效能的瓶頸。Efinix的Quantum FPGA架構透過一種既可以用作邏輯單元又可以用作佈線單元的通用單元技術實現了FPGA佈線瓶頸的突破，可望讓FPGA效能大幅提高，同時在異構計算中獲得更大市場份額。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1424期內容，歡迎關注。

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