本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察

隨着賽靈思併購案的順利進行 ，AMD與英特爾在 FPGA 領域數十年的競爭還將繼續。雖然FPGA不是一個被密切關注的細分市場，但也會出現這樣諸如此類的問題，那就是誰將成為FPGA領域的領導者？

不久前回顧了英特爾的線上發佈會，雖然 Ice Lake-SP是重點，但實際上Agilex FPGA才是那次發佈會的“隱形冠軍”。英特爾強調它是 FPGA 領域無可爭議的領導者，如果英特爾能夠將其轉化為市場份額的增長（雖然目前還沒有證據表明這一點，但這可能是由於產品短缺造成的），那麼 賽靈思 以及AMD可能會陷入困境。從長遠來看，AMD和賽靈思所面臨的更大風險是英特爾的下一代 FPGA，得益於英特爾的封裝優勢，下一代FPGA將採用突破性的架構，性能會有前所未有的提升，進一步提高英特爾的領先地位。

什麼是 FPGA？

簡單地説，FPGA 是可編程邏輯設備，通過與其他類型芯片比較可以更直觀得理解：CPU 可以通過軟件完全編程，ASIC中特定的算法是在硬件中進行的，而 FPGA 可以在邏輯（布爾邏輯體系）級別就進行“編程”。這意味着邏輯將根據算法（如 ASIC）進行調整，也可以重新編程來迎合不同的算法，進而決定固定功能芯片和 CPU 之間的速度、靈活性和效率特性。性能優異的 FPGA 還可以通過 DSP 提供相當多的計算能力，甚至可以與 GPU 相媲美。隨着AI 的興起，英特爾 和 賽靈思 都進一步增加了對低精度的支持（例如 INT8），甚至在一些 FPGA 中增加了矩陣運算（類似於英偉達的張量核心—— Tensor Core）。（這也表明英偉達在 AI 方面成功的主要原因是2017年時憑藉 V100 快速上市，從而形成了先發優勢。此外，賽靈思和英特爾（以及許多初創公司）都已經表明可以添加 Tensor Core到 GPU 以外的其他芯片，並能夠提供具有競爭力甚至卓越的性能。）

收購賽靈思

關於AMD收購賽靈思，我在傳聞剛出現時就進行了分析。

回顧CPU 和 FPGA 的協同效應，從英特爾五年前的收購中，我們就可以知道：FPGA 可以用作數據中心加速器、AI 加速器、SmartNIC（智能網卡） 以及網絡基礎設施中的加速器。但我也指出過，迄今為止，這些協同效應並沒有給英特爾的 FPGA業務帶來太大的增長。在這方面，儘管(獨立的)賽靈思的表現可能稍好一些，但其財務狀況也喜憂參半。

作為這次討論的補充，當時在電話會議上提出了以下問題，可能值得完整引用，因為我看到許多看好 AMD 的人認為， AMD的收購與英特爾不同，但我卻不這麼認為。

Stacy Rasgon：我關於賽靈思的問題是，對於一家購買 FPGA 的 CPU 公司，顯然有人在你的競爭對手嘗試之前已經嘗試過，就這一點而言，它並不是非常成功。您認為您對 賽靈思 的看法與 英特爾 對 Altera 的看法有何不同？您從英特爾 收購Altera中遇到的問題中學到了什麼？

Lisa Su：經過一段時間的考慮，我認為不同之處在於賽靈思是市場領導者。從過去幾年裏業務增長情況來看，他們的市場份額一直在增長。我也認為兩家企業的執行情況都非常好。

你可能會問，為什麼現在我們對我們的基礎業務感覺很好。別人可能覺得我們的業務是互補的，確實從產品和市場的角度來看，它們十分互補。但其實在數據中心焦點、技術戰略等方面，我們是存在一些重要的交叉點。

我們都是技術領先者，都與台積電合作，也都喜歡這種模塊化設計環境，而賽靈思在2.5D、3D集成等方面處於領先地位。此外，我們都致力於軟件和開源，所以可以明顯看到很多隱藏在幕後的協同效應。未來，你可能看到我們的路線圖規劃。

最後，我想説的是，我認為我們的文化非常一致，Victor和我都是工程師。我們熱愛所擁有的共同願景的技術，我真的非常高興他能加入我們。對於此次收購將會對行業和我們的合資公司帶來什麼，我們也有一個大膽的願景。我認為這就是我們所看到的不同之處，正如你所知道的, Stacy。

我的意思是我們不是為了併購而進行併購，而是因為這對於我們而言，都是一個難得的機會，沒有比 賽靈思 更好的行業匹配者了。Victor，你來補充一些你的看法。

Victor Peng：我認為這次收購與英特爾那次完全不同。我認同Lisa所説，不僅僅是在數據中心，我們對其他正在發生的轉型都有着共同的願景，比如在邊緣甚至端側應用中。我非常高興能再次加入AMD和賽靈思團隊。

並且我認為我們確實有非常相似的文化，都注重創新、執行和團隊合作文化，既適用於公司內部，也適用於客户。我認為這就是全部。我們將給客户創造巨大的價值，隨着時間的推移，我們將會把 Lisa 談到的那些基礎技術展現給大家。很明顯，我個人覺得我們將很好地整合。

確切的説，將Altera收購認為是不成功的案例其實是一種誤導。與 AMD 和 賽靈思 管理層希望投資者相信的相反，英特爾 收購Altera與 AMD 收購 賽靈思 其實完全相同，都是在CPU裏添加一個 FPGA。然後將其作為加速器或 SmartNIC 放入數據中心以進行卸載，或用於綜合網絡基礎設施組合，又或用於尋求其他邊緣機會。

這是英特爾執行其收購時的策略，我看不出AMD收購賽靈思有什麼不同，都是在擴大機會。還有兩個論點：

• 就技術而言，Altera-英特爾 的協同效應實際上要廣泛得多。有些人可能還記得，早在英特爾代工服務之前，Altera 是英特爾第一個具有里程碑意義的代工客户，不僅採用英特爾的代工，同時也是英特爾業界領先的先進chiplet封裝（帶EMIB）的主要用户。此外，英特爾的 oneAPI 軟件計劃還包含 FPGA，創建一個統一的開放式編程模型，涵蓋 CPU、GPU、FPGA 和 NPU。

• 上市協同效應以及整體產品組合也有利於英特爾。英特爾在 (5G) 網絡基礎設施整體上處於領先地位，而 AMD 則在這個市場上仍然缺席。（儘管看好 AMD 的人認為這次收購讓 AMD 能夠擴展到新市場。）英特爾不僅擁有 ASIC 業務，還收購了 Easic 以獲得更廣泛的產品組合：英特爾稱之為從可編程芯片到非可編程芯片的“邏輯連續體”。

儘管一些協同效應仍有待觀察，就像我在 2020 年 10 月之前的分析中所説的那樣，鑑於AMD近 2000 億美元的市場估值，此次收購表明並符合 AMD追求進一步增長的目標，這與英偉達想要收購Arm沒什麼不同。因此，與上述管理層引述相反，可以認為此次收購與英特爾在 2015-2016 年的收購相同，這意味着 AMD 在追求 CPU + FPGA 協同戰略方面至少落後英特爾五年。

CPU+FPGA 集成有意義嗎？

關於賽靈思的收購，還有一個話題可以討論：一些投資者或許有這樣的印象，AMD未來會推出類似超級APU的東西，除了CPU（也許還有GPU）也會集成FPGA。

那我們分別來討論下AMD 主要服務的兩個市場。首先，在 PC 市場上，AMD 推出 FPGA 的機會很小。正如我所説的，CPU（尤其是 英特爾 的）已經包含了許多加速器，而FPGA 似乎沒有價值主張。當然，AMD也許會進行嘗試，從而創造一個新的市場，但這種可能性很小，因為FPGA 只會增加 CPU 的成本。

其次，如上文所説的，FPGA 更有前景的市場是數據中心，但事實證明，這裏也不需要將 FPGA 集成到 CPU 中。

與數據中心未集成 GPU 以及 英偉達 僅基於 GPU 就積累了約 8000億美元市值的原因完全相同：GPU 或 FPGA 等加速器可以作為PCIe互連通過一個標準的鏈接被附加到CPU。

當然，有些人可能會爭辯説，集成或許會帶來一些好處，例如緩存一致性。然而，正是出於這個原因，業界即將採用一種稱為 CXL的新互連標準（由英特爾於 2019 年提出，並得到包括 AMD、賽靈思 和 Arm 在內的整個行業的支持）。

總而言之，收購 賽靈思 的主要理由不是硬件集成，而是（如 2020 年所述）AMD 試圖通過進入 FPGA 市場來擴展其 TAM。任何協同效應都將是在更高層次上，如提供 AMD CPU + 賽靈思 FPGA 作為英特爾 CPU + Altera FPGA 組合的競爭產品，以及軟件集成，例如英特爾如何通過一個API創建統一的編程模型。

FPGA 發展：之前發生了什麼

本節將總結過去幾年 FPGA 的主要市場趨勢。特別是英特爾的財務數據雖然沒有顯示，但實際上誰將在未來擁有 FPGA 領導地位，這已經有了明顯的演變。

總結 Altera-英特爾 的發展：

• 由於收購前的延遲，Altera 在轉向 14/16nm 節點方面比 賽靈思 晚了一年。

• 然而，英特爾迅速採取行動並立即投資了一個並行開發團隊，在 14nm Stratix 10 開始出樣前，就開始研究10nm Agilex。因此，Agilex 和 Versal 大約在 2019 年年中同時開始採樣，這意味着英特爾在短短一代內就追平了工藝技術。

• Altera 一直是英特爾非常成功的代工廠客户，利用英特爾領先的工藝以及2.5D 和 3D 小芯片封裝技術，形成了豐富的小芯片生態系統。值得注意的是，這甚至早於AMD 將其第一個 MCP（多芯片封裝）（“Naples”，2017 年）推向市場，更不用説 AMD 的第一個半芯片設計（“Rome”，2019 年）。因此，與 AMD 粉絲經常所説的相反，業界第一個採用小芯片的實際上是 Altera。

• 此後，Stratix 10 和 Agilex 成為越來越大的第一方和第三方小芯片生態系統的一部分。實際上，這仍然是業界唯一真正的跨供應商和跨代工廠的小芯片生態系統。我稱 AMD 的方法為半芯片，因為它仍然基於傳統的 MCP 方法。

• 收購讓英特爾實現了什麼：儘管收購前有延遲，英特爾仍然能夠提供業界首款具有 集成 HBM、58G 收發器和PCIe 4.0 的 16/14nm FPGA。

• 英特爾還在 2019 年收購了 eASIC，從而創建了 eASICs。它們提供了介於 ASICs 和 FPGAs 之間的功能集（在成本、上市時間、功耗、性能等方面）。這些 eASICs 也可以作為小芯片添加到 Agilex FPGA 中。

• 英特爾還於 2019 年創建了網絡和自定義邏輯，以實現上述網絡協同效應。雖然由於FPGA在網絡領域的銷售額下降，英特爾的收入實際上有所下降，但英特爾表示，這些銷售額已從英特爾FPGA轉移到英特爾ASIC。最近，英特爾表示，由於供應短缺，無法完成所有訂單：“由於嚴重的供應限制，DSG 收入為 4.86 億美元，同比下降 3%。但FPGA市場繼續仍然供不應求。”

• 英特爾 FPGA 也是英特爾異構 XPU 戰略的關鍵部分，它在軟件方面轉化為對英特爾 oneAPI 計劃的支持。

• 英特爾 FPGA 與AI無處不在的戰略保持一致，幾年前英特爾還推出了帶有 Tensor Blocks 的 14nm Stratix 10 NX。在某些工作負載中，FPGA 的效率可能比 GPU 高一個數量級。

在賽靈思方面：

• 賽靈思 將其 Versal 產品稱為 APACs（自適應計算加速平台），而不是 FPGA，為的是強調它包含了更多的IP和加速器（例如用於5G和AI），從而擴展並增強了傳統 FPGA以外的用途。

• 這些APACs可以被視為英特爾通過小芯片為其 FPGA 增加更多功能的方法的單片等效：賽靈思的 7nm Versal 路線圖由不少於 6 個產品線（單片芯片）組成。

• 賽靈思 的 oneAPI 相當於其 Vitis 軟件，顯然這仍是一個僅限 FPGA 的解決方案，而 oneAPI 則針對英特爾的完整芯片產品組合。

總的來説，Altera（英特爾）和 賽靈思（AMD）都採用了一種策略，即通過包含專用加速引擎來擴展 FPGA 的用途，但兩家公司採用的是不同方式：Altera已經能夠採用英特爾行業領先的先進封裝來創建小芯片生態系統，允許根據客户的要求對每個單獨的FPGA進行定製，而賽靈思則仍然遵循傳統的單片芯片方法。

Altera 的小芯片方法取得了成功，因為它率先將 58G/112G 收發器、Arm 內核和 HBM 集成到 FPGA 中。小芯片的好處是一旦創建，就可以添加到 FPGA 中，而無需重新流片，從而大大縮短上市時間。

最後，由於 Versal 和 Agilex FPGA 基本上是在同一時間推出的，應該可以看到 英特爾 的投資讓 Altera 在這方面迎頭趕上。

FPGA的對決繼續

由於兩家公司的路線圖都非常明確，所以可以進行比較。英特爾和賽靈思同時向 10nm/7nm 邁進。

如前面所説的，在 10nm/7nm這一代，兩家公司都採取了一種有些相似但又有所不同的方法，儘管兩家公司都在多個 SKU擴充產品線，但賽靈思似乎正在通過廣泛的Versal acap，對其瞄準的幾個領域(如邊緣、5G和機器學習)採取更具體的方法。為此，賽靈思更加專注於圍繞 FPGA 平台集成多個加速器，因此得名 ACAP。請注意，這些都是單片芯片。

另一方面，Agilex FPGA 主要專注於改進核心 FPGA 結構（英特爾稱之為 HyperFlex 2 架構），聲稱性能（頻率）將提高 40%，功耗降低 40%。Agilex 還引入了各種新功能：強化的bfloat16 AI 數據類型支持、改進的DSP 性能（但還沒有專用的 AI 加速），以及未來版本中的 116G 收發器、PCIe 5.0、DDR5 和 CXL（通過新的小芯片）。

這些發展意味着，對於不使用任何加速器的純 FPGA 應用，Agilex 作為整體卓越平台，優於 賽靈思，擁有非常明確和切實的 FPGA 領先地位。這確實是英特爾在2021年初推出的Ice Lake-SP數據中心的一部分（與Versal相比）：

• 視頻 IP 性能提高 50%；

• 每瓦性能提高 2 倍（結構）；

• （結構）性能提高 30%。

第二個主要區別是英特爾繼續其小芯片戰略：與基礎10nm FPGA 相同，但可以附加小芯片生態系統來定製 FPGA。這種方法在開發成本、特性集和上市時間方面具有實質性優勢。例如，上面提到的116G 收發器、PCIe 5.0/CXL 和 HBM等一些功能，只有未來在這些技術可用時才能出現。

可以肯定的是，這是小芯片的優勢，而不是缺陷：116G 收發器、DDR5 和 PCIe 5.0 或 CXL 在 Agilex 於 2019 年首次開始採用時還不可用，因此基本上英特爾的 FPGA 是面向未來的，因為這種小芯片方法：英特爾只需要創建一個具有PCIe 5.0 支持的小型小芯片。相比之下，Versal FPGA 將永遠無法獲得 PCIe 5.0 支持，除非賽靈思通過昂貴的努力來創建新的成熟的單片芯片。當然，賽靈思 絕對不會僅為了添加一項功能而這樣做。

這實質上表明瞭除了性能之外，英特爾在連接性和 I/O 支持方面進一步獲勝，因為 Versal 沒有 116G 收發器、DDR5、PCIe 5.0 或 CXL 1.1 支持。

這也説明，原則上沒有什麼可以阻止客户為 賽靈思 Versal ACAP 中的加速器添加小芯片，這確實是英特爾通過從ASIC到 eASIC 再到 FPGA 的自定義邏輯連續體的戰略。例如，隨着 2020 年 5G ASIC 的興起，英特爾的數據中心鄰接收入開始顯著增加（增加了數億美元），“交付英特爾領先的 5G ASIC，產生可觀的年收入增量”。這意味着真正潛在財務狀況可能比僅比較英特爾 FPGA 與賽靈思更微妙，因為英特爾 ASIC 的收入未知。

從英特爾看FPGA的創新

除了在 FPGA 功率和性能方面處表現優越之外，英特爾還有一些創新正在進行中，這可能會進一步鞏固其實力：

• Stratix 10 NX：業界首款針對 AI 優化的 FPGA，性能提升 15 倍。

• PCIe 6.0 和 CXL 2.0將在以後階段（通過新的小芯片）出現在 Agilex 上。

• 業界首款224G 收發器，針對下一代（英特爾 4）FPGA。

• 英特爾 4 FPGA：使用 EMIB 和 Foveros 3D 封裝（以 Foveros 為特色），可能會讓效率和密度提高一個數量級以上。

尤其是下一代 FPGA 清楚地表明，英特爾除了進一步擴展其 FPGA 領先地位外，還可以做任何事情，因為其3D堆疊的使用將是賽靈思無法比擬。

Stratix 10 NX

我在2020年6月發佈時與 Cooper Lake Xeon Scalable 一起討論了 Stratix 10 NX）。它是英特爾首款針對 AI 優化的 FPGA，具有 AI Tensor Blocks：將傳統的 DSP 單元換成 AI Tensor Blocks，而AI Tensor Blocks 擁有 15 倍多（支持 INT8 的）計算單元，相應的性能提升了 15 倍，這使它們能夠與 英偉達 GPU 競爭：

針對 英偉達的產品 ，英特爾表示，其 Stratix 10 NX 設備在 BERT 批處理中比 英偉達 V100 GPU 快 2.3 倍，在 LSTM 批處理中快 9.5 倍，在 ResNet50 批處理中快 3.8 倍。

另一篇論文描述了與 英偉達 的 V100 相比，Stratix 10如何在現實世界最先進的文本轉語音工作負載上實現 8 倍的性能和 10 倍的每瓦性能。考慮到這些數據，這使得它能與 英偉達 的 7nm Ampere 競爭。（之所以沒有與最新的A100進行比較，是因為當時這些工作負載還不適用於A100或者還未針對A100進行優化）。

以下幻燈片顯示了它如何利用其小芯片方法從小芯片庫“構建”Stratix 10 NX。

對於“計算”小芯片，這是英特爾第四個基於 14nm 的 FPGA 架構，還包括了 AI Tensor Blocks。其他結構是帶有或不帶有四核 Arm A53 CPU 的 FPGA，以及用於Stratix 10 GX 10M的高密度 FPGA （這裏沒有討論，是另一個領先的 FPGA）。

FPGA 的其餘部分類似於 Stratix 10 MX：

• 互連小芯片採用 58G 收發器 (SerDes) 技術和 PCIe 3.0。

• 沒有內存或“專用”小芯片。

• 對於其他“自定義小芯片”，支持 HBM（通過英特爾的開源 AIB 協議）。

通過這種方法，NX是第六個Stratix 10版本（每個版本都有多個SKU，以進一步區分性能和功能）。如果沒有小芯片，這種擴展是不可能的：例如，Stratix 10 DX引入了PCIe 4.0和UPI支持。

總體而言，這種設計方法降低了成本（因為驗證是在小芯片級別進行的）和加快了上市時間（因為每個新變體都可以在組成小芯片後立即上市）。

PCIe 6.0 和 CXL 2.0

通用 PCIe 互連已經在加速路線圖上。經過多年的 PCIe 3.0，行業在 2019 年左右轉向 PCIe 4.0，並在 2021 年轉向 PCIe 5.0。Agilex 也支持 CXL，因為它基於 PCIe 5.0。PCIe 6.0（大約 2023/2024 年）將進一步跟上這種類似摩爾定律的節奏。

英特爾的 Agilex 路線圖顯示，未來這些 FPGA 將支持 PCIe 6.0 和下一代 CXL 2.0，這也將為超 400G 以太網帶來支持。

英特爾透露，其下一代 FPGA 將基於英特爾 4 構建，並使用英特爾的下一代“Co-EMIB”封裝技術，這進一步擴大了英特爾在先進封裝領域的領先地位。

Co-EMIB 基本上是 2.5D EMIB 和 3D Foveros 的組合：它將利用 Foveros 進行基礎芯片的 3D 堆疊，同時還將繼續使用 EMIB 來連接小芯片，類似於英特爾的 Ponte Vecchio Xe HPC GPU。

然而，上面的 2020 年幻燈片並未表明 FPGA 轉向 3D 封裝的重要性。相比之下，在之前 2018 架構日，英特爾曾暗示它可以使用 Foveros 堆疊不僅僅是兩層（就像在 Lakefield 和 Ponte Vecchio 中所做的那樣），這將把FPGA 轉變為“可配置扇區的海洋”。英特爾表示，這將帶來高達 1-2 個數量級的能效提升。換句話説，這可能是 FPGA 的範式轉變。

展望未來，英特爾還計劃將 Foveros 用於 FPGA。英特爾的下一代 FPGA 將大量使用芯片堆疊，預計 Foveros 能在性能、能源效率或密度壓縮方面實現 1 甚至 2 個數量級的提升，而這種提升來自一種完全不同的 FPGA 配置方式。為了滿足當今的高端 FPGA，業界使用高帶寬存儲器，該存儲器通過導線連接到所有可配置模塊。英特爾可編程解決方案工程集團副總裁兼總經理Ravi Kuppuswamy表示：“有了Foveros和3D堆疊，突然之間，您就擁有了大量可重新配置的內核。”主要的簡化來自於它們將傳統的長電線轉換為短垂直電線的能力。

224G 收發器領導地位

最後，SerDes（收發器）可能是一個鮮為人知的技術組件，但它卻是 FPGA一個非常重要的部分，因為 FPGA 有多種用途，從存儲到移動再到處理數據，這正是 SerDes 在互連方面發揮作用的地方。

它可以與 PCIe 互連進行比較，因為兩者具有相似的每通道吞吐量。為了不斷提升互連速度，該領域正在使用先進的技術，同樣，擴展SerDes也有其自身的挑戰。

英特爾 以 58G FPGA 擊敗 賽靈思 推向市場，開始為 Agilex 提供 116G FPGA，並且在 2020 年 8 月，英特爾 是第一家宣佈在實驗室中運行的 224G PAM-4（每個信號兩位）收發器 IP的公司（似乎在 英特爾 4 上）。

總結

英特爾在 2017 年推出了 Stratix 10 FPGA，雖然比賽靈思晚了一年，但 Versal 和 Agilex 大約在 2019 年年中同時開始提供樣品。Agilex 還展示了優異的領導能力和效率。需要注意的是，鑑於FPGA客户設計週期較長，FPGA 的出貨量通常需要 3-4 年才能達到峯值。展望未來，鑑於英特爾提到的“1-2 個數量級”的改進，英特爾正在開發可能是革命性的FPGA。

英特爾的 FPGA 引人注目，因為它們是其最新封裝和小芯片技術的運載工具，從而產生了廣泛的小芯片庫。最值得注意的是，英特爾在收發器方面的持續領先地位 (58G-116G-224G) 強化了這一觀點。最後，FPGA 在英特爾的 AI 戰略中也發揮着關鍵作用，英特爾的 oneAPI 軟件為此提供了支持。

雖然兩家公司的上市戰略有很大不同（英特爾：小芯片；賽靈思：ACAP），但通過使FPGA更容易獲得來擴大市場的目標對兩者來説是相似的。而這是一般是通過諸如OneAPI和Vitis等高級工具（而不是傳統的FPGA低級編程工具）實現的。

儘管 FPGA 的整體增長相當疲軟，但從Altera被收購以來的五年左右的時間裏，FPGA 最有前途的市場可以説仍然是數據中心，在那裏它們可以用作 IPU/DPU/SmartNIC 或作為 AI 或其他加速器工作負載（因為已經證明 FPGA 的性能遠遠優於 英偉達 GPU）。FPGA 不太可能像 GPU 那樣成為主流，但如果這些較新的編程範例至少取得一些成功（例如通過OneAPI），那麼對於英特爾和賽靈思而言，那麼這可能會極大地增加其可尋的目標市場。