數據中心加速器的芯片市場預測

數據中心市場的加速芯片主要包括CPU、GPU、FPGA和ASIC等。據Semico Research于2019年5月的預測，從2018年到2023年的5年間，數據中心加速器市場預計將從28.4億美元增長211.9億美元，年均增長率為49.47%。其中，FPGA預計將是年均增長率最高的細分市場（如下圖），該增長將由企業級工作負載加速應用驅動。

數據加速可以分成計算、網絡和存儲三大類。有一部分是GPU可以做的，但是另外很大一部分更適合于用FPGA來做加速。

業界普遍認為的性能對比顯示，相比于傳統CPU，FPGA提升的性能是10~100倍，倍數變化主要來自不同的應用。不僅如此，在提高性能的同時，FPGA的功耗也會大幅降低。

從市場上來看，這幾年FPGA加速卡的應用越來越多。從下圖右可以看出，FPGA加速卡和服務器是新的技術，目前正處于上升期。

業界的Tier 1客戶，諸如亞馬遜和微軟的數據中心在二三年前就已經把FPGA加速方案用到他們的數據中心。只不過因為他們是Tier 1，工程師資源和軟件都有雄厚的實力，所以可以把芯片直接做進服務器主板里，即嵌入到他們的硬件系統中。但是對于很多Tier 2和Tier 3的OEM（生產商），或一些小型的數據中心及純做軟件的客戶，并不具備這樣的工程資源，所以可以通過采購基于標準的PCIe接口的FPGA加速卡，快速地部署到自己的業務和應用中。

數據中心部署FPGA加速方案有很多好處。①效率方面，FPGA相對于GPU和CPU有更高的能效比。②FPGA可以根據客戶的特殊需求重新配置。③FPGA加速卡可以快速部署，使客戶的實驗室應用快速地推向市場，而無需把更多的精力和資源放在底層的開發上。④對于hyperscaler（超大規模廠商），也可以做大規模的部署。

采用Speedster7t獨立FPGA芯片的VectorPath加速卡

2019年10月，基于FPGA的數據加速器件和高性能嵌入式FPGA（eFPGA）半導體知識產權（IP）的領導性企業Achronix半導體公司，與Molex旗下的一家領先企業級FPGA加速器產品供應商BittWare聯合宣布：推出面向高性能計算和數據加速應用的FPGA加速卡。

新推出的VectorPath S7t-VG6加速卡搭載了Achronix采用7nm工藝打造的Speedster7tAC7t1500獨立FPGA芯片，它在同類PCIe FPGA加速卡中，提供了目前業界最高性能的接口。這些高性能接口包括1x400GbE和2x100GbE接口，以及總帶寬為4Tbps的8組GDDR6的板上存儲器，使該加速卡成為高帶寬數據加速應用的理想選擇。

為此，Achronix市場營銷副總裁Steve Mensor和Molex副總裁Sam Bichara向電子產品世界記者介紹了其特色。

圖 從左至右：Achronix市場營銷副總裁Steve Mensor，Molex副總裁Sam Bichara

VectorPath加速卡是基于Achronix新一代的7t的高性能，針對高帶寬優化的一個FPGA。優勢有兩點：①二維的高速片上網絡，②針對人工智能、機器學習優化的MLR單元（如下圖）。

因此，數據中心開發人員可以不用關注硬件，只要采用現成可用的硬件，加上自己的軟件、算法就可實現應用，這樣就可以大大加速部署和開發。

Achronix的合作伙伴BittWare非常有實力：有約30年的FPGA加速卡的設計和生產制造經驗，于2018年被Molex收購，成為更大規模公司——Molex的子公司，可以充分利用Molex更廣闊的技術支持和銷售團隊服務客戶。

VetcorPath加速卡所具有的功能

VectorPath加速卡系專為高性能和高帶寬數據應用而設計，具有以下硬件功能：400GbE QSFP-DD和100GbE QSFP56接口；8組GDDR6存儲器可提供4 Tbps的總帶寬；1組帶有錯誤檢查和糾正（ECC）功能的、運行頻率為2666MHz的DDR4存儲器；Speedster7t FPGA芯片集成了帶寬為20 Tbps的二維片上網絡（NoC）；692K的6輸入查找表（LUT）；40K Int8 MAC提供高于80 TOps的算力；OCuLink – 用于連接擴展卡的4通道PCIe Gen 4連接器。

VectorPath加速卡包括一整套Achronix的ACE開發工具，以及BittWare的基板管理控制器和開發工具包，其中包括API、PCIe驅動程序、診斷自測和應用示例設計，以提供快速的、開箱即用的體驗。

TeraBox FPGA服務器

TeraBox是基于FPGA的服務器（如下圖）。在過去BittWare注意到，客戶在買獨立的FPGA芯片，或者是基于FPGA板卡的加速卡時，獨立的板卡放在服務器中進行設計，但是對于很多Tier 2、Tier 3甚至更小的客戶，沒有時間、精力以及工程資源去把FPGA卡給集成到服務器中，因此有一部分客戶需要更高的集成，這樣客戶只需簡單的配置就可以應用起來。

TeraBox主要有兩大類客戶，一類是有特殊需求的客戶，他需要把上層軟件快速部署到業務中，或客戶需要快速地去展示他們的軟件。另一類是對于一些IT經理，他的技術水準不是那么深，因此無需關注底層，還可以降低風險，同時可以簡單部署，縮短整個業務的上線時間。

采購TeraBox的另一優勢是：傳統的FPGA加速卡，一般只提供一年的質保和技術服務，但是服務器一般是3年。

與競品的差異化

除了Achronix之外，另外兩大FPGA廠商此前已推出了加速卡；2019年下半年，兩大FPGA廠商忙于發布各自的“統一軟件開發平臺”，Achronix有類似的軟件平臺產品嗎？

實際上，競品的芯片不僅有FPGA、處理器（Arm SoC），還有另外的處理器（例如AI引擎）等。例如AI引擎，X公司的AI引擎底層是Synopsys公司的矢量處理器，但是這種矢量處理器跟Arm CPU是不同架構的處理器，再加上外部的高速接口，客戶要面對3種不同的硬件底層。

“統一軟件平臺”從表面上看是用同一個軟件的思維去開發，但是作為開發者，處理數據時要考慮哪部分放在FPGA里，哪部分放在CPU里，哪部分放在AI引擎/矢量處理器；另外要考慮互相之間的數據怎樣去流動，而不是只是簡單的有一個工具讓你去用。因此，怎樣讓設計者很好地利用你的架構，對于軟件工程師是非常有挑戰的。

對于Achronix而言，走的是另外一個方向：對傳統的FPGA做了很多優化，諸如二維的高速網絡；另外，為了提高算力，雖然名字叫機器學習處理器（MLP），但它不是處理器，它實際上最底層是一種乘累加陣列（MAC，如下圖），是硬件。所以所有底層的思維還是硬件的思維。

圖 MLP架構：專為計算密集的人工智能/機器學習（AI/ML）應用而優化的Speedster7t

當然Achronix也有開發工具，但是整個底層架構是硬件架構，沒有不同類型的單元。Achronix的開發思路是讓原有的FPGA工程師很容易地去用Achronix的平臺，而且Achronix的平臺性能有大幅的提升，甚至軟件工程師通過Achronix的工具也可以很容易去用這個硬件平臺。

總之，Achronix的思路是延續傳統模式，在傳統模式上做進一步的優化。即硬件軟件化——有很容易用起來的硬件，好像用軟件一樣。例如Speedster7t的二維片上網絡（如下圖），讓整個的硬件的設計，更像軟件的思維去做。

另外，關于競品的加速卡，例如I公司，采用的存儲是HBM2，而Achronix采用的是GDDR6，特點是速度快，同時價格便宜（相對于目前業界通用的HBM2，價格會便宜很多），而且HBM2實現起來也比較復雜，需要封裝到FPGA上，制造也比較困難。

上市時間和售價

VectorPath現在就可以接受訂單，預計在2020年第2季度發貨到客戶。在客戶拿到這個加速卡之前，客戶現在就可以開始做開發。加速卡的價格是7500美元。

總結

對于數據中心、邊緣計算等需要計算加速的領域，整個硬件加速市場正在快速增長，CPU已經趕不上性能的需求，FPGA是一種高效選擇。

除了極少數超大數據中心有能力和用量可支撐自己建立FPGA團隊，包括硬件團隊去開發加速卡以外，絕大部分的Tier 2或Tier 3需要去外部采購加速卡，包括相應的底層軟件。因此，FPGA廠商紛紛祭出FPGA加速卡。Achronix和BittWare聯手推出了采用Speedster7t獨立FPGA芯片的VectorPath加速卡，可以快速部署，簡單易用。相比競品，VectorPath還具有超高性能的特點。