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    英特爾與賽靈思競爭背后:FPGA芯片進入黃金時代

    時間:2021-04-06 14:44:19 來源:未知 點擊:

    人工智能和深度學習的熱潮推動了數據中心、云計算和邊緣計算市場的蓬勃發展,這些領域正成為FPGA(現場可編程門陣列)大顯身手的地方。秉承獨特的應用價值,FPGA不僅全面進軍各大數據中心,而且在IoT和自動駕駛等終端領域穩步擴充地盤。

    過去一年,在FPGA領域角逐的兩家巨頭英特爾和賽靈思動作頻頻、你追我趕:這邊廂賽靈思換帥,那邊廂英特爾晉升FPGA負責人;這邊廂賽靈思主攻AI市場,那邊廂英特爾掙得5G市場的第一桶金,首個10nm FPGA產品率先出爐……

    以不同玩法迎接未來市場新機遇的英賽兩家,猛火急攻之下,有望把FPGA帶成燎原之勢。

    01 最大之爭

    FPGA芯片比CPU更快,比GPU功耗更低、延時更短,且比ASIC(專用芯片)更加便宜、周期更短,因此在目前人工智能芯片領域備受青睞。作為FPGA的發明者,賽靈思本在FPGA硬件領域獨霸天下,穩立鰲頭,但隨著2015年英特爾收購了FPGA“老二”Altera之后,局勢發生了改變。

    英特爾在Altera技術的助力下,搶奪賽靈思的奶酪以期在人工智能領域占據更大市場空間,最近一段時間對于“世界最大FPGA”的爭奪讓雙方的較量更上了一個臺階。

    2019年8月下旬,賽靈思發布了當時“世界上最大”的FPGA芯片Virtex UltraScale+ VU19P。這款基于臺積電16nm工藝制造,集成了350億個晶體管的器件,擁有當時單器件最高的邏輯密度和I/O數量,包括超過2000個用戶可編程引腳、900萬可編程邏輯單元、224Mb片上內存以及3800個DSP單元,比它的前一代產品——基于20nm工藝的Virtex UltraScale 440 FPGA要大60%。

    然而,僅兩個月后,賽靈思“世界最大FPGA”的寶座就被英特爾給搶走了。11月上旬,英特爾宣布推出Stratix10 GX 10M FPGA,成為新的“世界上最大”的FPGA芯片。與賽靈思VU19P的配置相比,英特爾Stratix10 GX 10M基于自家14nm工藝制造,有著433億晶體管、1020萬可編程邏輯單元,以及2304個可編程I/O,幾個方面都完勝VU19P。

    眼瞅著風頭被搶走,賽靈思方不得不一再強調,賽靈思才是一直擁有最大容量FPGA產品的一方,三代產品都是如此,“英特爾說它們有著最先進的科技或者最大容量的FPGA產品,但是我們還需要看到它真正交付的貨物是什么樣的,是否能給客戶按期交貨”,賽靈思總裁兼首席執行官Victor Peng說。

    為什么“世界最大FPGA”受到如此重視呢?這一方面是因為超大型FPGA在硬件仿真和原型驗證領域有著不可或缺的作用;另一方面,“世界最大”的名頭是芯片廠商的“肌肉”,誰能制造出這種超大型芯片,就代表誰擁有更復雜的系統集成和封裝技術。

    賽靈思一直采用的是堆疊硅片互聯技術(SSI),這種技術的主要缺點是多個硅片之間存在硬邊界,它們只能通過硅中間層進行互聯和通信,從而導致明顯的性能瓶頸。在最新的ACAP器件中,賽靈思針對性地進行了優化。

    相比之下,英特爾使用的是以嵌入式多管芯互聯橋接(EMIB)為核心的3D系統級封裝技術,EMIB沒有引入額外的硅中介層,而是只在兩枚硅片邊緣連接處加入了一條硅橋接層(Silicon Bridge),并重新定制化硅片邊緣的I/O引腳以配合橋接標準。

    與SSI相比,EMIB系統制造復雜度大幅降低,且硅片間傳輸延時大幅減少。EMIB在Stratix 10 FPGA上早有應用,例如,在MX系列中,就通過EMIB集成了所謂的“3D堆棧式高帶寬內存”(HBM)。此外,EMIB還可以用來連接各類收發器單元,這種基于EMIB的異構集成方式非常靈活,通過芯片集的方式使得相同的FPGA硅片可以搭配不同的收發器、HBM、CPU等單元,進行快速的系統級芯片集成。

    最新發布的Stratix10 GX 10M是英特爾首次將兩個擁有510萬可編程邏輯單元的大型FPGA硅片,通過EMIB相連,由此形成一個超大FPGA。這兩個FPGA硅片通過25920個EMIB數據接口進行互聯,其中每個數據連接可以提供2Gbps的吞吐量,因此系統整體的通信吞吐量高達6.5TBps。

    發布這樣的產品,實際上是英特爾在宣布EMIB技術完全可以處理超高帶寬的吞吐量需求。另外,英特爾FPGA采用的3D系統級封裝技術對芯片的良率也有較高的要求,因為它雖然是異構集成技術,但依賴于每個組成部分的同構性。

    也就是說,FPGA的可編程邏輯陣列本身是一整片硅片,但通過Stratix10 GX 10M可以看到,EMIB也可以用來作為同構芯片的互聯技術,這樣就大幅擴展了這種3D封裝技術的適用程度。此外,單個FPGA硅片已經可以做到510萬個邏輯單元,這也說明英特爾14nm工藝已經非常成熟。

    而且EMIB并不是英特爾唯一的3D互聯和集成技術。2019年初,英特爾就公布了一項名為Foveros的“真”3D封裝技術,它可以將諸如CPU、GPU、DRAM、Cache等功能單元的裸片堆疊在一起,然后再封裝成為一枚完整的芯片。Foveros將在英特爾基于10納米工藝的Lakefiled上采用。

    雖然很多人將FPGA比作積木,可以用來實現各種應用,但制造FPGA本身并不像搭積木那樣簡單。“世界最大FPGA”之爭需要的是競爭各方的科技實力,英賽兩強相爭必然會研制更大、更復雜的FPGA器件,從而驅動更新更好技術的出現,促進行業更快地進步。

    2 “軟”化平臺

    英特爾帶來的威脅,賽靈思早有感知。最近兩年,賽靈思就在進行平臺化轉型以適應當下的市場需求。2019年10月初,在XDF美國站首次發布的Vitis軟硬一體的開發工具平臺則標志著賽靈思突破了硬件與FPGA的框架,正逐漸轉型為覆蓋硬件與軟件的全方位平臺公司。

    Victor Peng表示:“隨著計算需求呈指數級增長,工程師與科學家常常受到固定芯片性能的局限。賽靈思打造了一個卓越的設計環境,使各學科領域的編程人員與工程師能夠使用他們已熟知并掌握的工具和框架,共同開發與優化他們的軟硬件。這意味著他們可以不需要新型芯片就能根據自己的應用調整硬件架構。”

    Vitis并非是賽靈思在軟件開發領域的第一次行動。早在2015年,SDAccel開發環境就開始在軟件領域試水,這次Vitis的架構更是耗時5年,有超過1000名工程師參與。從軟件架構看,最底部是Vitis目標平臺,中間是核心開發套件、加速庫等,最上層是Vitis AI開發工具。Vitis本身提供的開發工具套件包含視覺與圖像、金融在內的8大庫和400項功能,另外,還支持軟件開發者普遍使用的C++等語言。

    平臺重要組件Vitis AI也開放下載,更多人工智能和機器學習開發者將可以擁有賽靈思高性能自適應計算平臺的加速度。Vitis AI專門用來幫助AI開發者,它不止支持主流ML開發框架,像TensorFlow、PyTorch、Caffe等等,還整合多種AI開發套件,支持深度學習這一類DSA應用架構的DNN處理器。

    “Vitis可以把所有的功能全都集中起來,就像是AI的集成器一樣。”賽靈思方面表示,“Vitis主要針對軟件,它把云、邊緣、端點全部集合在一起,從量化、編譯到硬件集成,只需要幾分鐘的時間”。據介紹,Vitis包括的模型涵蓋了多種應用,比如ADAS/AD(高級駕駛輔助系統/自動駕駛)、視頻監控、機器人和數據中心等。

    用戶只要具備一定程度的基本概念和硬件知識,無需深入掌握,就可以根據軟件或算法代碼自動適配和使用賽靈思硬件架構。比如,使用TensorFlow框架設計訓練神經網絡時,開發者可以通過Vitis AI對TensorFlow進行模型優化,再將優化完的AI模型經過編譯之后,放進一個可程式化的DNN處理器上,在FPGA上操作。

    “數據中心優先”的核心戰略使得賽靈思希望在硬件和軟件開發之間搭建渠道并在軟件領域打開知名度。Vitis可以將用戶從繁雜的硬件專業知識中解放出來,同時降低了FPGA的門檻,軟件工程師、人工智能科學家等開發人員都能受益于賽靈思靈活應變硬件加速的優勢,硬件開發者也可以利用該平臺更好地與軟件工程師協同工作,提升效率。

    另外,賽靈思還成立了開發者網站提供各種實操教學、最新技術文章等等,開發者也可以通過網站向專家求助。憑借從器件到平臺的成功轉型以及對打造異構計算加速平臺驅動行業所做的貢獻,賽靈思保持著自己的行業地位:FPGA市場占有率世界第一。

    同樣把數據中心作為重中之重的英特爾也不甘示弱,推出高性能FPGA芯片的同時,還加緊把FPGA芯片集成到自己的CPU內,強化與GPU在計算領域的競爭力。2018年,英特爾數據中心實現約330億美元營收,與傳統PC業務約370億美元的營收比例接近,標志著其向數據中心業務為主的轉型開始進入下半場。

    03 模式差異

    FPGA和GPU一樣具有并行處理的能力,在硬件固定的情況下,允許用戶根據需要的邏輯功能對電路進行快速燒錄,并通過升級軟件來實現自定義硬件功能,最終實現靈活的、可再配置的、低延遲的加速。研究報告顯示,全球FPGA市場規模預計將在2025年達到約125.21億美元。

    未來FPGA的市場增量點將會集中在自動駕駛、數據中心和工業智能自動化方面,汽車有望在2025年成為最大的應用領域,達到29%的占比,數據中心及工業的占比分別被預計攀升至13%和19%。

    在人工智能有望一統數據中心江湖之際,賽靈思和英特爾顯然都不打算錯過這一東風。過去一年,兩大巨頭不僅均確立了以數據中心為重的相似戰略布局,而且對FPGA的規劃都走上了更加多元化的道路,以差異化轉型的玩法各自積累實力。

    作為FPGA的開山鼻祖,盡管長期占據著FPGA業界龍頭的位置,賽靈思卻沒有故步自封,而是早在幾年前就開始試圖脫下FPGA供應商的帽子,轉型成為一家完全可編程(All Programmable)的公司?;谶@一戰略方向的指引,賽靈思的市場總體份額從2011財年的53%增長到了2015財年的56%,高端市占率保持在60%,終端市占率從1%飛增至54%,低端市占率從40%增至51%,實現了高中低端全線無短板。

    2018年初,賽靈思宣布啟動“數據中心優先、加速核心市場發展以及驅動靈活應變的計算”三大戰略,同時發布了革命性產品Versal ACAP和Alveo加速器卡,開始向平臺化公司轉型。ACAP具有高度模塊化和可擴展化的特點,可實現CPU和GPU無法企及的性能和功耗比,可謂是賽靈思的顛覆式新招牌。

    在這一全新框架下,賽靈思發布采用臺積電7nm工藝的業界首款ACAP加速平臺Versal系列和Alveo系列AI加速卡,加速了賽靈思的轉型。

    當然,看到FPGA在數據中心廣闊市場的公司不止賽靈思一家,早有覬覦的英特爾迅速橫插入局,雙管齊下,獨立芯片與加速器齊飛,自研與收購并下,以快速求取市場地位。2015年,英特爾以迄今為止最大金額的167億美元高價收購了FPGA領域的“老二”Altera,成立了FPGA業務部門PSG事業部。

    收購Altera后,英特爾將領先的FPGA技術與自己的CPU、GPU等技術和資產集成在一起,從而開拓新的高增長細分市場。從2016年到2017年,受益于工業、軍事及汽車等細分市場的增長,以及數據中心市場和其28nm、20nm和14nm工藝產品的增長,英特爾PSG營收持續走高,2018年全年收入21.23億美元,同比增長11.6%。

    與賽靈思長期專注于FPGA不同,英特爾打的是一套組合拳。其FPGA器件主要有兩類用途:一是將FPGA作為一種獨立的在線加速器,預處理大量非結構化數據;二是將FPGA放在CPU旁邊作為離線加速器,用以助力英特爾至強處理器和加速軟件堆棧無縫協作。通過這兩種策略,英特爾擴展了FPGA加速平臺產品組合,并與自己的其它產品協作來解決從邊緣到云端以及網絡轉型和企業級應用中的復雜問題。

    2018年7月,英特爾將其可編程解決方案事業部總經理Daniel(Dan)McNamara從副總裁晉升為高級副總裁,12月在中國重慶設立FPGA創新中心,以對FPGA業務加碼,之后又發布了其多重創新實力的集大成者Agilex FPGA,用以超快速度和超高靈活性創造解決方案。

    為了穩固實力和擴大市場占比,賽靈思和英特爾除了升級自身技術和產品陣列外,還均在并購和構建生態系統方面加大了火力。2018年7月,兩家公司幾乎同時宣布了新的收購案。

    2018年7月13日,英特爾宣布將擁有約120名員工的美國結構化ASIC供應商eASIC收入麾下,并將其并入PSG事業部。eASIC探索了一條在FPGA可編程和ASIC高性能優勢之間的折中路徑——結構化ASIC產品,據稱性能功耗都更接近ASIC,同時成本僅是標準單元約1/2。

    通過收購eASIC,英特爾擴展了其PSG的芯片組合,進一步優化性能和功耗,并通過實現從FPGA到結構化ASIC的低成本轉換等方式,有效縮短產品上市時間并降低開發成本。在英特爾收購eASIC相隔不過5天的2018年7月18日,賽靈思收購深鑒科技的消息流出。

    2016年成立的深鑒科技是中國AI芯片領域最受矚目的獨角獸之一,其一開始選擇的芯片方案就是賽靈思的FPGA,賽靈思還是其早期投資者和重要合作伙伴。收購深鑒將進一步增強賽靈思的工程技術研發力量,以及幫助其在廣闊的中國市場深耕。

    除了eASIC和深鑒兩起并購案外,以色列創企服務器和存儲連接方案的網絡設備供應商Mellanox也成為巨頭爭搶的“香餑餑”,從2018年11月到2019年1月底,先后傳言被賽靈思、微軟、英特爾競標,但最終在3月被“半路殺出來的程咬金”英偉達豪擲69億美元截胡。

    生態系統方面,英賽競爭也是如火如荼。根據Gartner報告,過去一年全球云服務市場高速發展,服務商向巨頭匯聚,云計算領域被亞馬遜AWS、微軟Azure、谷歌云、阿里云、IBM、華為云、百度云、騰訊云等攬走絕大多數市場份額。

    這幾大超級云計算數據中心成為英賽必爭的合作對象。目前,賽靈思在AI生態布局上已有亞馬遜AWS、阿里、百度、華為等大客戶,并與這些合作伙伴共同推出FaaS(FPGA as a Service)云服務等新業務。英特爾也不落下風,比如在數據中心已經部署了約25萬臺FPGA的微軟,就在其定制硬件加速器Project Brainwave項目中選擇了英特爾的Stratix 10 FPGA。

    04 未來展望

    目前,賽靈思和英特爾的FPGA市場競逐角力,一來一往、有輸有贏。鑒于雙方都有不俗的實力,可以預計,未來很長一段時間二者都將處于激烈的競爭之中。

    以通訊市場來看,下一波大幅增長動能應該來自5G建置,預期從2019~2020年開始,在2023年達到尖峰。英特爾已經陸續推出5G數據機芯片,賽靈思也發布了旗下All Programmable射頻系統單芯片來迎接5G時代。雙方各有優勢。

    英特爾以99%的市占率,支配了全球伺服器芯片市場,形成規模優勢,其可將Altera的FPGA芯片整合進入旗下的伺服器處理器中,進一步在資料中心終端市場幫FPGA取得市占率。賽靈思則在制程技術方面優于英特爾1年以上,這也是其拿下大型云端客戶包括亞馬遜和百度等訂單的原因。

    目前看,英特爾除了具有行銷和規模優勢之外,相較于賽靈思這樣一個IC設計業者,其未來還可以從價格戰出手,運用來自伺服器芯片的豐厚利潤投資FPGA業務,以低價拋售的策略擴張市占率。

    除了雙方的相互競爭外,它們還要共同面對正在慢慢崛起的ASIC的威脅。相較于FPGA,專用芯片(ASIC)在效能與量產價格上更具優勢,全球前五大數據中心中,超過半數皆自行研發ASIC,此趨勢將對英特爾與賽靈思數據中心業務造成威脅,對此,賽靈思與英特爾發展出截然不同的產品策略。

    賽靈思持續朝大型系統單芯片方向發展,同時布局以太網絡智能網卡(Smart NIC),通過并購以太網絡網卡廠Solarflare涉足下游,專攻FPGA在計算、網絡與儲存等三大硬件加速領域的優勢,強調產品在數據中心多元場景的應用性。

    英特爾則著眼于如何利用FPGA補強CPU的不足。通過補齊CPU、FPGA、Mobileye的EyeQ芯片以及5G和網絡的大部分關鍵技術,英特爾在自動駕駛領域形成了一套端到端的完整解決方案。手持FPGA、eASIC、ASIC三大利器,以CPU-FPGA混合器件和打造可編程加速卡等產品的雙輪驅動方式,英特爾在數據中心、網絡及物聯網推動其以數據為中心的業務。

    05 結語

    FPGA以可重構性、高效、低延遲、低成本等優點迎合了多種新興市場對更靈活的硬件資源的需求。從一個獨立的單一硬件個體,到與其它硬件協同作用的系統化整體解決方案,FPGA的應用邊界不斷擴展,它逐漸在半導體市場扮演更加重要的角色。

    作為FPGA領域最核心的兩大玩家,賽靈思和英特爾從技術到應用均在引領著FPGA的未來走向,通過步步為營、你追我趕的相互競爭,它們將帶領FPGA迎來自己的黃金時代。

     
     
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