【文/觀察者網(wǎng)專(zhuān)欄作者 潘攻愚】

2015年3月19日，美國(guó)司法部在官方網(wǎng)站上發(fā)布了一則新聞稿：“舊金山一男子及其公司因向俄羅斯走私精密電子元件而被起訴?！?

經(jīng)查，已經(jīng)入籍美國(guó)的俄羅斯裔Pavel Flider因通過(guò)第三方走私“受控的兩用可編程計(jì)算機(jī)芯片”，涉案金額高達(dá)6000萬(wàn)美元而被舊金山聯(lián)邦大陪審團(tuán)起訴。

彼時(shí)，恰好是俄羅斯從烏克蘭手中奪回克里米亞一周年。

以事后之見(jiàn)來(lái)看，克里米亞事件為七年后俄烏爆發(fā)全面軍事沖突埋下了伏筆?？梢哉f(shuō)，Pavel Flider為俄羅斯儲(chǔ)備了一批價(jià)值不菲的軍用物資。

他所走私的6000萬(wàn)物品中，主要的品類(lèi)是可編程計(jì)算機(jī)芯片即FPGA，號(hào)稱“萬(wàn)能芯片”。在今天的俄烏戰(zhàn)場(chǎng)上，F(xiàn)PGA甚至一度成為“戰(zhàn)爭(zhēng)芯片概念股”的主角。

根據(jù)好事者對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)遺址打掃和武器拆解，今年7月，在基輔 Okhmatdit，俄羅斯Kh-101火箭的導(dǎo)航系統(tǒng)使用了Xilinx（賽靈思）的FPGA芯片；類(lèi)似但更先進(jìn)的FPGA也出現(xiàn)在“柳葉刀”無(wú)人機(jī)中。俄羅斯Iskander和Calibre-PL巡航導(dǎo)彈的導(dǎo)航中大量使用全球兩大FPGA巨頭Xilinx和Altera的產(chǎn)品。

從柳葉刀無(wú)人機(jī)上拆卸下來(lái)的Xilinx的FPGA

對(duì)俄羅斯抱有敵意的媒體Insider報(bào)道，號(hào)稱俄高科技工業(yè)心臟的米克朗Mikron Group其產(chǎn)品型號(hào)中只有兩種FPGA型號(hào)，不得不高度依賴進(jìn)口。

在以美國(guó)為首的西方對(duì)俄羅斯半導(dǎo)體全面斷供的情況下，俄方通過(guò)中亞等第三方中轉(zhuǎn)站和之前的庫(kù)存依然可以維持戰(zhàn)爭(zhēng)所需的“工業(yè)糧食”的周轉(zhuǎn)。從2022年到2024年，即戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始后的兩年里，Xilinx和Altera流向俄羅斯的FPGA總價(jià)至少分別為2.16億美元和1.2億美元。

俄羅斯“特種技術(shù)中心”公司發(fā)布的FPGA工程師招聘信息

戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)可以檢驗(yàn)一國(guó)關(guān)鍵物資儲(chǔ)備的生產(chǎn)力和動(dòng)員力。戰(zhàn)場(chǎng)上廝殺后的余燼往往埋藏著勝負(fù)手的解碼器。AI大潮洶涌澎湃之下，看似處境有些尷尬的FPGA以戰(zhàn)立身，在某種層面上可以迫使業(yè)界重新思考CPU、GPU、FPGA\ASIC這些高算力芯片在各類(lèi)型產(chǎn)品價(jià)值鏈中的地位，以及探討如何進(jìn)一步優(yōu)化軍工半導(dǎo)體生態(tài)，提升相關(guān)供應(yīng)鏈的健康度。

FPGA的坐標(biāo)系：非中心，但也絕非邊緣

何謂FPGA？Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列?，F(xiàn)場(chǎng)和可編程是其稱謂的兩個(gè)關(guān)鍵詞。

先說(shuō)可編程。通過(guò)非門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)的有序堆疊，F(xiàn)PGA可實(shí)現(xiàn)任意功能的數(shù)字電路，所有組合電路都有對(duì)應(yīng)的真值表，F(xiàn)PGA的可編程邏輯塊中的LUT（查找表，Look Up Table），可以完成任意組合電路的功能。

再說(shuō)“現(xiàn)場(chǎng)”。FPGA底層邏輯運(yùn)算單元的連線及邏輯布局沒(méi)有固化，這可以使得客戶在拿到芯片后，通過(guò)本地或者遠(yuǎn)程配置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自己符合需要的功能。

FPGA于1985年由Xilinx創(chuàng)始人Ross Freeman發(fā)明，至今約有40年歷史。FPGA和CPU、GPU同屬于大型數(shù)字芯片序列。

這里請(qǐng)注意，F(xiàn)PGA的可編程特性是特指它的硬件可編程，這是其區(qū)別于CPU和GPU的顯著特性。

通過(guò)對(duì)FPGA原理架構(gòu)的拆解我們可得知，只需要改變FPGA中LUT的掩碼，F(xiàn)PGA就可以承載另一個(gè)電路的功能，而且能無(wú)限次的修改。FPGA內(nèi)部往往由數(shù)十萬(wàn)個(gè)可編程邏輯塊可以同時(shí)獨(dú)立工作，有效解決時(shí)鐘頻率高低起伏的問(wèn)題，特別適合大型并行計(jì)算的場(chǎng)景。

我們可以用數(shù)學(xué)上著名的戴德金數(shù)來(lái)看看FPGA的威力。

在普通筆記本電腦上計(jì)算第八個(gè)戴德金數(shù)需要八分鐘，但計(jì)算第九個(gè)則需要數(shù)十萬(wàn)年。帕德博恩大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生Lenart Van Hirtum在FPGA超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下，這個(gè)問(wèn)題在五個(gè)月內(nèi)就得到了解決。

從架構(gòu)上看，F(xiàn)PGA相比CPU和GPU，在某些領(lǐng)域的應(yīng)用有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

CPU的一項(xiàng)重大任務(wù)就是負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，在處理多線程任務(wù)時(shí)，不可避免地出現(xiàn)任務(wù)越多算的越慢的現(xiàn)象，所以任務(wù)率越高時(shí)延越長(zhǎng)，而FPGA由于在布局布線階段不需要重排執(zhí)行順序和指令調(diào)度，其處理時(shí)延和利用率大小基本是無(wú)關(guān)的，因此，F(xiàn)PGA非常適合低時(shí)延、需要現(xiàn)場(chǎng)可編程的場(chǎng)景。

生成式AI帶火了GPU，讓英偉達(dá)這個(gè)賣(mài)鏟人市值一路水漲船高。業(yè)界普遍認(rèn)為，更適合并行計(jì)算的GPU在AI訓(xùn)練和推理方面的負(fù)載難以被替代，取代了CPU，坐上了通用高算力處理類(lèi)型芯片的頭把交椅。但是任憑英偉達(dá)CEO黃仁勛無(wú)論怎樣變換話術(shù)兜售GPU“買(mǎi)的越多越省錢(qián)，買(mǎi)的越多越節(jié)能”，GPU的功耗依然是個(gè)大問(wèn)題，因其無(wú)法很好地利用片上內(nèi)存，需要頻繁讀取片外的DRAM。

被GPU吹上產(chǎn)業(yè)風(fēng)口的HBM（高帶寬內(nèi)存）恰恰說(shuō)明了GPU需要HBM這樣一個(gè)需要被封裝在一起的“外掛”。而FPGA整個(gè)算法無(wú)需存儲(chǔ)外掛，整個(gè)算法可以在片上完成，特別適用于小樣本推理和邊緣計(jì)算。

問(wèn)題來(lái)了，既然FPGA相較CPU和GPU都有相當(dāng)鮮明的優(yōu)點(diǎn)，為何在PC時(shí)代和移動(dòng)通信時(shí)代都沒(méi)能成為處理器的主角？

從市場(chǎng)規(guī)模角度也能看出端倪。2022年FPGA全球市場(chǎng)規(guī)模區(qū)區(qū)80多億美元，中國(guó)區(qū)市場(chǎng)不到210億人民幣。FPGA的產(chǎn)品特性決定了它無(wú)法完成像CPU那樣的更通用性的調(diào)度安排處理功能，也無(wú)法像GPU那樣做到大規(guī)模并行計(jì)算和AI訓(xùn)練。

而且，F(xiàn)PGA的地盤(pán)正在越來(lái)越受到ASIC——特定用途集成電路的侵蝕。和CPU、GPU、FPGA相比，ASIC的通用性和靈活性最差，但主打一個(gè)專(zhuān)精、高效和低功耗。

誠(chéng)然，F(xiàn)PGA因?yàn)椤艾F(xiàn)場(chǎng)”可用，相比ASIC，F(xiàn)PGA無(wú)需等待三個(gè)月至一年的流片周期，上市時(shí)間短，對(duì)于消費(fèi)電子這類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)激烈、迭代迅速的行業(yè)尤其重要。但ASIC更符合AI時(shí)代這種scale law的大力出奇跡模式，因此在技術(shù)非常成熟且利潤(rùn)率非常低的產(chǎn)品是殺手般的存在，只要保證設(shè)計(jì)上的技術(shù)成熟，就可以抵消一次性量產(chǎn)帶來(lái)的流片昂貴（ASIC因其硬件不可編程，流片失敗意味著一批產(chǎn)品都要廢掉）的問(wèn)題，可以大規(guī)模上量，有著更低的功耗，更豐富的封裝選擇和更優(yōu)的TCO（芯片設(shè)計(jì)、制造總成本）性價(jià)比。

從現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)層面上也可以看到FPGA的命運(yùn)之坎坷。

2015年，英特爾以167億美元收購(gòu)當(dāng)時(shí)的FPGA領(lǐng)域龍頭企業(yè)Altera，隨后形成了現(xiàn)在的PSG部門(mén)。2022年，AMD宣布以全股份交易的方式，完成對(duì)最大FPGA廠商Xilinx的收購(gòu)，按當(dāng)時(shí)雙方股票價(jià)格，交易金額達(dá)到350億美元。

今年FPGA再次成為媒體熱議的焦點(diǎn)，一大原因是因?yàn)橛⑻貭枦Q定拆分PSG部門(mén)，讓Altera重新單飛上市。當(dāng)年在FPGA市場(chǎng)呼風(fēng)喚雨的Altera被CPU大佬呼來(lái)喚去，聚而終散，根本原因在于當(dāng)年的“CPU+FPGA”異構(gòu)整合計(jì)算的野望無(wú)法達(dá)成預(yù)期，在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算方面未能發(fā)揮強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的優(yōu)勢(shì)，最終以英偉達(dá)GPU大獲全勝收?qǐng)觥?

此外，由于Altera在緊跟摩爾定律方面裹足不前，10nm工藝以下平臺(tái)被Xilinx穩(wěn)穩(wěn)碾壓，五年來(lái)市場(chǎng)份額從超過(guò)40%掉到了24%左右。

即便如此，AMD收購(gòu)Xilinx雖然整合程度高于英特爾，也未達(dá)到當(dāng)年在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)上的全面預(yù)期。大局形勢(shì)所迫，Xilinx目前已經(jīng)不是一個(gè)純FPGA公司，還提供很多板級(jí)服務(wù)，尤其是高集成的SoC產(chǎn)品以進(jìn)一步增強(qiáng)客戶黏性。

從整體市場(chǎng)前景上看，我們也必須認(rèn)識(shí)到，在AI產(chǎn)業(yè)炸裂的時(shí)代，F(xiàn)PGA依然無(wú)法“挑班”運(yùn)營(yíng)，反而讓ASIC乘勢(shì)迅速崛起。

目前半導(dǎo)體行業(yè)形成了一個(gè)基本的共識(shí)，未來(lái)芯片設(shè)計(jì)將更加專(zhuān)業(yè)化，專(zhuān)用芯片ASIC會(huì)得到更廣泛的部署與應(yīng)用，目前對(duì)英偉達(dá)GPGPU通用計(jì)算平臺(tái)挑戰(zhàn)最大的就來(lái)自LPU/TPU，一個(gè)典型的例子就是谷歌的TPUv4集群已經(jīng)廣泛進(jìn)入到超算行業(yè)，并且讓蘋(píng)果的AI項(xiàng)目拋棄了英偉達(dá)高端AI加速器而選擇了谷歌TPU。

作為一種ASIC的TPU，沒(méi)有不必要的邏輯和路由開(kāi)銷(xiāo)，邏輯控制單元更小、更容易設(shè)計(jì)，只占整體芯片面積的2%，給片上存儲(chǔ)器留下了更多的空間。

總之，F(xiàn)PGA雖然在各個(gè)時(shí)代的風(fēng)口都無(wú)法站在的舞臺(tái)的最中央，但它卻像一個(gè)可隱可現(xiàn)的，內(nèi)力十足的江湖豪俠守住自己的一畝三分地。可現(xiàn)場(chǎng)重構(gòu)、靈活性、快速迭代、低延時(shí)，以及適合某單一應(yīng)用場(chǎng)景的小批量生產(chǎn)，等等均是它的殺手锏，這也是其戰(zhàn)略地位的最佳表達(dá)。