FPGA History and Future

FPGA 自上世纪 80 年代进入市场以来,就与通用 CPU、ASIC 乃至 GPU 竞争共存。FPGA 的低功耗、可编程、规格适中等特性,使其在市场中占据一席之地。本文分析了通信、HPC、数据中心等多个领域的现状,对市场、价格和竞品对比等方面进行了概要分析,并预测了 FPGA 未来的一些发展方向,对了解 FPGA 提供了很好的参考。

本文概要总结了 2019 年 9 月在斯坦福大学一次三小时讨论情况,其中汇聚了来自多家企业和研究机构的实践经验,包括 Zilog、Altera、Xilinx、Achronix、Intel、IBM、Stanford、MIT、伯克利、威斯康星大学、Technion、Fairchild、贝尔实验室、Bigstream、谷歌、DIGITAL(DEC )、SUN,诺基亚、SRI、日立、Silicom、Maxeler Technologies、VMware、施乐 PARC、思科等。上述各家并不对本文内容承担任何责任,只是在某种程度上激发了作者们的思考,进而构成了 FPGA 的多维发展之路。

FPGA(现场可编程门阵列,Field-Programmable Gate Arrays) 自诞生以来,就与 ASIC 社区纠缠不清。上世纪 80 年代中期,Ross Freeman 及其同事从 Zilog 处购买了该项技术,初创了面向 ASIC 仿真和教育市场的 Xilinx 公司。Zilog 来自于埃克森美孚石油公司,其创立源自于上世纪 70 年代人们对石油将在 30 年内耗尽的担忧——尽管时至今日这一说法依然大行其道。几乎与此同时,以类似技术为核心的 Altera 成立。

FPGA 是支持电路编程的芯片,实现对该电路的“仿真”。对于 ASIC 中的实现,这种仿真的运行性能要慢于实际的电路。它的时钟频率更低,耗能更高,但可以每几百毫秒重新编程一次。

FPGA 用于在 ASIC 制造商做光罩并提交工厂制造前仿真 ASIC。Intel、AMD 等企业在芯片生产前,使用 FPGA 仿真芯片。

电信领域的争夺

FPGA 一直在电信行业大量使用。由于电信标准的不断变化增加了电信设备的制造难度,因此能率先给出电信解决方案的企业往往会占领最大的市场份额。ASIC 的制造周期很长,而 FPGA 提供了一种快捷方式。电信设备开始在初期版本上采用 FPGA,这引发了 FPGA 价格的波动。尽管 ASIC 仿真市场并不受 FPGA 价格的影响,但芯片的价格对电信企业却至关重要。多年前,AT&T 和朗讯制造了自己的 FPGA,称为 ORCA(优化的可重配置单元阵列,optimized reconfigurable cell arrays)。但与 Xilinx 或 Altera 相比,它们在硅片的速度和规格上并不具有竞争优势。

如今,华为已成为 FPGA 的最大客户。美国制造的 FPGA 可能正是中美之间最近的紧张关系的导火索。这些芯片令华为在 5G 电信设备交付上占据优势,领先世界上其他任何准备参与竞争的供应商达两年。

Xilinx Artix And Zynq UltraScale+ Cover

Xilinx的成本优化产品组合Zynq和Artix UltraScale+

如果你做FPGA,扩大份额并进一步进入市场的一种方法是发布一种新的COP或称作成本优化产品组合(cost-optimized portfolio)。这就是Xilinx(赛灵思)正在和TSMC(台积电)一起做的16nm Zynq和Artix UltraScale+系列产品的事情,这些产品给成本优化市场带来了更高的性能,更低的功耗以及更小的封装。

Xilinx Zynq和Artix UltraScale+成本优化战略

现在,Xilinx有了新的Zynq和Artix UltraScale+产品组合,这些产品是16nm UltraScale+器件(不是新的Xilinx Versal ACAP),但是是专门为成本优化和低功耗应用而设计的。

本周,Xilinx(赛灵思)数据中心集团发布了一些新技术,在重点分析被称为Xilinx Alveo SN1000的新型100GbE智能网卡(SmartNIC)前,我们先介绍一些更广泛的产品组合的更新。

Xilinx数据中心集团2021年春季公告

Xilinx数据中心集团2021年春季更新主要发布了三个公告。首先是前面提到的Alveo SN1000,接下来是被称为“Smart World”的AI视频分析平台,最后,Xilinx新出了一个加速算法交易解决方案。

Xilinx DCG Spring 2021

有一个重点,可能是影响最大的一个,甚至没有出现在Xilinx更新的幻灯片上,Xilinx将会有一个新的App Store。Xilinx正在开拓一个新的市场,如果你在Xilinx FPGA上开发IP模块或解决方案,你可以将其放在Xilinx公司的App Store中,那些购买了Xilinx FPGA的人可以进入App Store,然后购买IP并用在其硬件上,而无需自己从头开发这个IP,从而节省了整个开发周期的时间。

RISC-V是加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley,以下简称UCB)设计并发布的一种开源指令集架构,其目标是成为指令集架构领域的Linux,应用覆盖IoT(Internet of Things)设备、桌面计算机、高性能计算机等众多领域。其产生是因为UCB的研究人员在研究指令集架构的过程中,发现当前指令集架构存在如下问题。

  • 绝大多数指令集架构都是受专利保护的,比如:x86、MIPS、Alpha,使用这些架构需要授权,限制了竞争的同时也扼制了创新。
  • 当前的指令集架构都比较复杂,不适合学术研究,而且很多复杂性是因为一些糟糕的设计或者背负历史包袱所带来的。
  • 当前的指令集架构都是针对某一领域的,比如:x86主要是面向服务器、ARM主要是面向移动终端,为此对应的指令集架构针对该领域做了大量的领域特定优化,缺乏一个统一的架构可以适用多个领域。
  • 商业的指令集架构容易受企业发展状况的影响,比如:Alpha架构就随着DEC公司的被收购而几近消失。
  • 当前已有的各种指令集架构不便于针对特定的应用进行自定义扩展。

为此,UCB的研究人员Krste Asanovic、Andrew Waterman、Yunsup Lee决定设计一种新的指令级架构,并决定以BSD授权的方式开源,希望借此可以有更多创新的处理器产生、有更多的处理器开源,并以此降低电子产品成本。

RISC-V自2014年正式发布以来,受到了包括谷歌、IBM、Oracle等在内的众多企业以及包括剑桥大学、苏黎世联邦理工大学、印度理工学院、中国科学院在内的众多知名学府与研究机构的关注和参与,围绕RISC-V的生态环境逐渐完善,并涌现了众多开源处理器及SoC采用RISC-V架构,这些处理器既有标量处理器,也有超标量处理器,既有单核处理器,也有多核处理器,本文接下来将简单介绍RISC-V架构的基本设计,随后将详细描述目前采用RISC-V架构的开源处理器与SoC。

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摘要

针对图像处理的实时性要求,设计了一种基于FPGA的图像压缩编解码系统。该系统包括实时图像采集、JPEG压缩以及UART传输等功能。采用Altera公司的DE系列开发板,应用Verilog HDL硬件描述语言对D5M摄像头进行配置,完成图像采集。在图像压缩模块,重点对2D-DCT变换进行改进。在基于Chen算法的基础上采用二分频信号控制器,减少了加法器的调用,实现其快速运算,进而完成图像压缩功能。在URAT传输模块,主要完成串行通信与并行通信间的转换。测试表明,图像的压缩比达到26.3:1,其均值信噪比大于40 dB,压缩后的视觉效果良好,符合设计要求。