自從30年前Altera和Xilinx開創可程式設計邏輯器件這一晶片型別以來，FPGA經歷了巨大的變化，雖然憑藉其靈活性和高效能而得以在科研、醫療和航空等高階計算領域得到廣泛應用，但FPGA技術和市場始終是一個利基市場產品，在市場規模和銷量方面難以跟CPU和GPU這類通用晶片相提並論。然而，隨著雲端計算和AI的興起，特別是微軟和亞馬遜這兩家網際網路巨頭將FPGA引入其雲端計算平臺，FPGA開始受到業界更廣泛的關注，已經成為一個炙手可熱的高速增長市場。

資料中心對FPGA加速卡的需求強勁

網際網路巨頭、雲端計算服務商和大型企業對資料中心的高效能運算需求越來越大，尤其是深度學習等對AI訓練和推理的算力需求如飢似渴，傳統的CPU已經無法滿足要求。GPU、FPGA和專用晶片(ASIC)在這方面找到了用武之地，於是產生了基於CPU、GPU、FPGA和ASIC的各種加速卡，以行業標準介面插入伺服器即可馬上為AI和資料密集型應用帶來10-100倍的加速處理效能。

圖1：FPGA在多種資料密集型應用中效能都比傳統CPU高出10-100倍

據Semico研究公司預測，全球資料中心加速器（包括CPU、GPU、FPGA和ASIC）市場規模將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年複合增長率(CAGR)高達50%。其中增長最快的當數FPGA加速器，2018年只有10億美元，到2023年將超過50億美元，其增長驅動力主要來自企業級資料負載加速應用。

FPGA加速卡對比：Achronix、Intel和Xilinx

FPGA行業最大的兩家廠商Intel和Xilinx都於今年8月份釋出了最新的FPGA加速卡。Xilinx的Alveo U50加速卡採用Xilinx UltraScale +架構，是其首款採用半高、半長尺寸的Alveo產品，與英偉達的T4 GPU卡尺寸相同。U50具有8GB高頻寬記憶體（HBM2）、超過400 GBps的資料傳輸速度、100 GB/秒的網路連線，並支援PCIe Gen 4和CCIX，其功耗為75瓦。

Intel則釋出了FPGA PAC D5005，這是其可程式設計加速卡產品組合的第二個型號，它基於Intel Stratix 10 SX FPGA，與Intel Acceleration Stack（包括加速庫和開發工具）配合可以為Xeon伺服器提供資料密集型工作負載的加速。與Intel第一個基於Arria 10 GX FPGA的加速卡相比，FPGA PAC D5005具有三倍的可程式設計邏輯、高達32 GB的DDR4記憶體（增加了4倍）和更快的乙太網埠（兩個100GE埠與一個40GE埠）。小尺寸和低功耗的Arria 10 GX FPGA PAC加速卡適用於各種伺服器，而大尺寸和大功率的PAC D5005則用於提供更高效能的加速。

Achronix在品牌知名度方面也許不如Intel和Xilinx，但其FPGA晶片在技術性能上卻毫不遜色，尤其是其最新的Speedster7t。這一專門針對高頻寬工作負載而優化的高效能FPGA晶片具有如下特性：

採用TSMC 7nm工藝製造16個GDDR6通道，可提供高達4Tbps的儲存器頻寬4個400G乙太網介面(4x400G或16x100G)72個SerDes埠，支援1-113Gbps資料速率4個PCIe Gen5埠，支援16通道和8通道配置

圖4：Achronix Speedster7t採用一種全新的二維片上網路(2D NoC）佈線結構

相對於Xilinx UltraScale +和Intel Stratix 10 SX FPGA的特別之處在於，Achronix Speedster7t在設計上採用了一種新的二維片上網路(2D NoC）佈線結構，類似於城市高架立交橋的設計架構，可以極大緩解交通堵塞。此外， Speedster7t還使用一種靈活的機器學習處理器(MLP)專門針對人工智慧/機器學習(AL/ML)進行了優化，比如支援多種浮點格式和整數格式，在Int8整數格式下可以提供多達41k的乘累加單元(MAC)和高達134TOPS的運算能力。

圖5：Achronix市場營銷副QuattroporteSteve Mensor與BittWave公司副QuattroporteSam Bichara在深圳聯合釋出VectorPath加速卡

最近Achronix與Molex集團旗下的FPGA加速卡設計公司BittWave合作，開發出基於Speedster7t的VectorPath加速卡。這一高效能FPGA加速卡採用全高和3/4長(跟GPU一樣)的外形尺寸，具有雙倍寬頻，有被動式、主動式和液冷三種散熱方式，專門針對雲平臺服務商和企業級資料中心應用。此外，BittWave還為其提供了完整的FPGA開發工具BittWork II，具有完整的板塊管理控制器(BMC)，支援Linux和Windows作業系統。其開發工具包包括API、PCIe Drivers、應用案例設計，以及診斷和自測等。

圖6：Achronix與BittWave合作開發的VectorPath加速卡基於Speedster7t FPGA晶片

VectorPath加速卡可以支援一系列高速資料和儲存介面，包括：

除了FPGA原廠Intel和Xilinx提供FPGA加速卡之外，還有一些第三方開發商也提供針對特定應用的FPGA加速卡，比如被英偉達收購的Mellanox提供FPGA智慧網絡卡Innova-2 Flex，浪潮基於Xilinx FPGA的F37X加速卡集成了8GB的HBM2片上快取記憶體，而華為基於16nm工藝UltraScale+ FPGA開發的FX系列中端加速卡的典型功耗為75瓦，高階卡為200瓦。

30年來專注於FPGA卡開發的BittWare及其同行Nallatech均被電子元件產品供應商Molex收歸旗下，併合併成為新的BittWare公司，從而成為服務於計算、網路和儲存應用市場的專業FPGA加速卡開發商。除了基於Intel和Xilinx的FPGA晶片開發FPGA加速卡外，BittWare首次與Achronix合作，開發出更高效能的VectorPath加速卡，同時還可以為資料中心客戶提供整合多張VectorPath加速卡的TeraBox FPGA伺服器。

結語

面對全球資料中心和企業級應用對計算加速的巨大需求，Intel憑藉其CPU+FPGA的優勢而佔據著主導地位，Xilinx則與AMD合作爭搶這一利潤豐厚且高速增長的市場。而Achronix作為FPGA市場的“小而美”玩家，也有其獨到之處，與Molex/BittWave合作提供FPGA加速卡將會加速其FPGA晶片在這一市場的推進速度，從而在高效能運算、儲存和網路加速市場佔據一席之地。