隨著人工智能、機器學習等應用場景快速發展演進，對芯片的算力、安全性等性能也提出了更高的訴求。據市場調研公司Semico Research數據顯示，2018年FPGA市值約為10億美元，在未來4年內，人工智能應用中FPGA的市場規模將增長3倍，達到52億美元。

要知道，這個增長是非常驚人的，畢竟過去多年，FPGA市場的年均增長率也才8%-9%。目前人工智能、機器學習等應用場景的FPGA市場約為25%，預計兩年后將達到72%。如此龐大的市場空間，則需要性能更高、更加靈活的AI 算法解決方案。

近日，基于FPGA的硬件加速器件和高性能嵌入式FPGA（eFPGA）半導體知識產權（IP）領導性企業Achronix半導體公司推出了創新性的Speedster7t FPGA系列產品，以其具有ASIC一樣的性能，還可簡化設計的FPGA靈活性和增強功能，從而遠遠超越傳統的FPGA解決方案。為何要研發Speedster7t FPGA？

據了解，Speedster7t FPGA系列產品是專為高帶寬應用進行設計，具有一個革命性的全新二維片上網絡（2D NoC），以及一個高密度全新機器學習處理器（MLP）模塊陣列。該產品的誕生也極具有創新性和針對性，Achronix CEO 羅伯特·布萊克先生在接受芯師爺的采訪時表示，在研發該芯片時，主要考慮三方面問題:其一，如何擁有高效的計算力；其二，如何將數據更快速、高效地傳輸到計算單元中；其三，如何實現高效，豐富存儲緩存能力。而這也是目前數據加速所需架構的三大要素。

他認為，Speedster7t是Achronix歷史上最令人激動的發布，代表了建立在四個架構代系的硬件和軟件開發基礎上的創新和積淀，以及與我們領先客戶之間的密切合作。Speedster7t是靈活的FPGA技術與ASIC核心效率的融合，從而提供了一個全新的‘FPGA+’芯片品類，它們可以將高性能技術的極限大大提升。

“在開發Speedster7t系列FPGA的產品過程中，Achronix的工程團隊完全重新構想了整個FPGA架構，以平衡片上處理、互連和外部輸入輸出接口（I/ O），以實現數據密集型應用吞吐量的最大化，這些應用場景可見于那些基于邊緣和基于服務器的AI/ML應用、網絡處理和存儲。”羅伯特·布萊克先生補充道。

Speedster7t FPGA系列產品經歷3年研發，將采用臺積電7nm FinFET工藝，是專為接收來自多個高速來源的大量數據而設計。整體來看，該產品主要有五大優勢：

1、較高的計算性能

AI、ML需要矢量矩陣乘法，而傳統的帶DSP模塊的FPGA性能有限，需要消耗額外邏輯和Memory資源，而新的MLP是高度可配置的、計算密集型的單元模塊，可支持4到24位的整點格式和高效的浮點模式，包括對TensorFlow的16位格式的支持，以及可使每個MLP的計算引擎加倍的增壓塊浮點格式的直接支持。它可提供業界最高的、基于FPGA的計算密度。

2、支持超高存儲帶寬

值得一提的是，Speedster7t器件是唯一支持GDDR6存儲器的FPGA，該類存儲器是具有最高帶寬的外部存儲器件。每個GDDR6存儲控制器都能夠支持512 Gbps的帶寬，Speedster7t器件中有多達8個GDDR6控制器，可以支持4 Tbps的GDDR6累加帶寬，并且以很小的成本就可提供與基于HBM的FPGA等效存儲帶寬。

3、高速接口

除了這種超高的存儲帶寬，Speedster7t器件還包括業界最高性能的接口端口，以支持極高帶寬的數據流。Speedster7t器件擁有多達72個業界最高性能的SerDes，可以達到1到112 Gbps的速度。還有帶有前向糾錯（FEC）的硬件400G以太網MAC，支持4x 100G和8x 50G的配置，以及每個控制器有8個或16個通道的硬件PCI Express Gen5控制器。

4、超高效率的數據移動

Speedster7t高速I/O和存儲器端口的產生的數萬兆比特數據很容易淹沒傳統FPGA面向比特位的可編程互連邏輯陣列的路由容量，而Speedster7t架構包含一個可橫跨和垂直跨越FPGA邏輯陣列的創新性的、高帶寬的二維片上網絡（NOC），它們連接到所有FPGA的高速數據和存儲器接口。

它們就像疊加在FPGA互連這個城市街道系統上的空中高速公路網絡一樣，Speedster7t的NoC支持片上處理引擎之間所需的高帶寬通信。NoC中的每一行或每一列都可作為兩個256位實現，單向的、行業標準的AXI通道，工作頻率為2Ghz，同時可為每個方向提供512 Gbps的數據流量。

值得注意的是，NOC的外圍（如下圖的大黃框）是購買的IP，但是內部的構造是Achronix自己設計的。通過在Speedster中實現專用二維NoC，極大地簡化了高速數據移動，并確保數據流可以輕松地定向到整個FPGA結構中的任何自定義處理引擎。

最重要的是，NOC消除了傳統FPGA使用可編程路由和邏輯查找表資源在整個FPGA中移動數據流中出現的擁塞和性能瓶頸。這種高性能網絡不僅可以提高Speedster7t FPGA的總帶寬容量，還可以在降低功耗的同時提高有效LUT容量。

5、高安全性

Speedster7t FPGA系列產品在面臨第三方攻擊的威脅時，可用最先進的比特流安全保護功能應對，它們具有的多層防御能力可保護比特流的保密性和完整性。

密鑰是基于防篡改物理不可克隆技術（PUF）進行加密，比特流由256位的AES-GCM加密算法進行加密和驗證。為了防止來自旁側信道的攻擊，比特流被分段，每個數據段使用單獨導出的密鑰，且解密硬件采用差分功率分析（DPA）計數器措施。

此外，2048位RSA公鑰認證協議被用來激活解密和認證硬件。用戶可以確信的是當他們加載其安全比特流時，它是預期的配置，這是因為它已通過RSA公鑰、AES-GCM私鑰和CRC校驗進行了身份驗證。截至目前，針對不同的市場應用需求，Achronix 還推出了Speedster7t系列的“家族”化產品，如7t750、7t1500、7t3000、7t6000。

但該系列的產品還未正式上市，預計2019年第四季度會提供樣片及加速卡，2020年正式量產。其中，Speedcore eFPGA基于臺積電16FF +工藝產品已經實現量產。

為了更好的為公司硬件產品提供支持，Achronix專門推出了配套的ACE軟件設計工具，該軟件與業界標準的邏輯綜合工具配合使用，支持FPGA設計人員便捷地將其設計映射到Speedster7t FPGA、Speedcore eFPGA和Speedchip FPGA chiplets產品中。值得一提的是，該ACE軟件設計工具可直接獲得。

據了解，Achronix是唯一一家既提供獨立FPGA芯片又提供Speedcore嵌入式FPGA（eFPGA）半導體知識產權（IP）的公司。Achronix在Speedcore eFPGA IP中采用了與Speedster7t FPGA中使用的同一種技術，可支持從Speedster7t FPGA到ASIC的無縫轉換。