《 處理器爭霸戰 Ep. 3》 FPGA 是什麼？為什麼AMD要強勢收購Xilinx？
日期：2021/04/26
文：Y.C. Lo / 校稿: B.H. Huang , C.H. Chen
2020 年的 10 月超微半導體（AMD）宣布以美金350億元收購全世界最大的 FPGA 提供商賽靈思（Xilinx），為市場上投下了震撼彈，這件事無疑使目前戰火激烈的資料中心運算市場變得更加猛烈，並且讓 Intel 、Nvidia 瑟瑟發抖。
但啊咧咧～好奇怪啊？這個 FPGA 是什麼玩意兒？怎麼好像沒聽過，那麼這一回就讓 Semiknow 向各位讀者介紹，現場可程式化邏輯陣列（FPGA）是什麼吧！這可真是個好東西呀。
晶片中的百變怪 — FPGA
若要給 FPGA 一個比喻，肯定沒有比寶可夢當中的百變怪更適合的角色了，FPGA 就如同百變怪般，可以依照使用者的設計，透過程式化的方式改變自身的電路，成為不同功能的積體電路 IC。
百變怪～變身寶可夢，藉由重組全身的細胞，變得與看到的東西一模一樣！我們也曾經提過，IC 當中都是由一個個像是水龍頭開關的電晶體所組成，當然 FPGA 也不例外。具體而言我們可以想像 FPGA 裡已經有數兆個電晶體開關以及一些簡單的邏輯電路，而這些電路的連接是可以隨著電路設計者而重新更改的，因此這樣的彈性，使它可以從一個 AI 人臉辨識晶片、通訊晶片又或者是多媒體影像處理晶片之間自由變換。
這就好像是一個水電工，手上已有許多現成水龍頭開關，但管線的連接可以依照水電工的意思，隨時更改它的連接方式，設計出各式各樣的水道系統（電路）。
>> 延伸閱讀（電晶體）：三分鐘搞懂半導體是什麼
FPGA 的產業角色之一：快速驗證產品雛形
在過去 FPGA 最廣泛用於，IC投片量產前後的快速功能驗證，由於FPGA可以被修改的特質，IC 設計工程師在設計完電路後，會先將電路燒錄在 FPGA 中看看功能是否正確，修改至完全無誤之後才會投入後續製造，而在 IC 製造回來以後也可以利用 FPGA 進行功能的交叉比對，如此便能大大縮短產品到市場的所需時間。
FPGA 的產業角色之二：降低晶片製造風險
若使用現在的先進製程 5奈米來做晶片研發，一款晶片預估的投入成本就已突破台幣 150 億元，要是在晶片研發前期沒有快速驗證、快速修正的手段，不僅在競爭上就輸在起跑點，更將面臨晶片售出後，因功能錯誤大量召回產品而付上的鉅額損失，也因此 FPGA 角色可以說是越來越重要。
FPGA的好處有三：
1. 極具彈性，隨意更改功能
2. 快速驗證產品雛型
3. 降低晶片製造風險從幕後走向幕前：FPGA 與高效能運算
近年來由於人工智慧 AI 的興盛，出現許多高效能運算的需求，以 2016 年最有名的 AlphaGo 為例，在訓練它下圍棋時就用上了 1920 台中央處理器 (Central Processing Unit, CPU），以及280 台圖形處理器（Graphic Processing Unit, GPU）並且跑上個幾個月才訓練出結果。
因此這邊我們可以 Highlight 一個重點:
高效能運算通常具有多種、多個平行處理的運算單元。而當 CPU 與 GPU 提供商們苦於指令集設計，如何平行化提高運算能力時，就有人把腦筋動到 FPGA上了，「針對一些 AI 的應用，如果我們可以最簡單化指令集，大量複製相同的運算單元」那不就太完美了嗎？
由於 FPGA 有大量、簡易的運算單元，還可以隨著應用隨時更改設計（如指令集），這樣的特性使它逐漸走向幕前，應用於高效能運算中，不再只是過去用於晶片試誤的幕後角色。
>> 延伸閱讀（指令集 ISA）：《 處理器爭霸戰 Ep. 1》 RISC-V是什麼？為什麼它將掀起微處理器市場的驚濤駭浪？
加入戰局：資料中心運算的三方角力
高效能運算可應用於人工智慧、車用系統以及雲端資料中心等等，而當中又以雲端資料中心最多，也因此資料中心的處理器市場佈局正如火如荼，就如三國演義一般，現在也有三方角逐中原：
- 英特爾 Intel 繼續投入先進製程與 CPU 研發，同時將眼光投向自家的 FPGA 公司 Altera。
- 輝達 Nvidia 在本業 GPU 上繼續耕耘，另欲以 1.2 兆台幣併購手機 CPU 架構龍頭公司安謀 ARM，來研發更高端的伺服器 CPU。（還沒併成功）
- 超微 AMD 在家用電腦的 CPU 上蠶食 Intel 的市場，另一方面買下賽靈思Xilinx 投入 FPGA 事業。
這場戰爭同時也是運算架構的競爭，而在 CPU、GPU、FPGA 三者中，僅 FPGA 具有彈性的功能，不只在運算效能上可以贏過其他兩者，更可以隨時做硬體架構的瞬間同步更新。而 FPGA 還是有缺點，那就是單次購買成本高昂，以資料中心的規格來說，一台數十萬到百萬都有可能。長期算下來可能是賺的，因為不用常常買新硬體，靠著程式化的特性更新架構即可。
未來這場三方大戰會是如何呢？就讓我們繼續看下去吧！
結語：
大家好我是 Y ，關於 FPGA 的確是一個影響半導體產業發展速度的重要角色，然而目前全世界主要的 FPGA 提供商都在美國，他們的服務遍及全球，幾乎每一間晶片設計公司都需要 FPGA 來完成產品雛形，並且做功能測試。雖然台灣在晶片代工上市佔龍頭，IC 設計也有聲有色，但在 FPGA 上卻無任何一款自主的產品，這或許是一件危險的事情。這一回寫下 FPGA 的重要性，希望能讓大家了解這個 IC 設計背後的大功臣，也能喚醒一些警覺心。
參考資料：
數位時代 — NVIDIA黃仁勳發佈首款Arm架構處理器Grace
科技新報 —英特爾資料中心營收驟減 20% 股價摔！超微奪市佔
科技新報 — 從英特爾資料中心營收、毛利雙下滑的財報，檢視 AMD 耕耘多年的技術反擊力道
科技新報 — AMD 宣布 350 億美元收購賽靈思，未來資料中心市場將三分天下
看完這篇文，可以幫我們按 5下clap！
看完而且喜歡的話，可以幫我們按 15下clap！
如果想看我們繼續寫更多文章的話，直接拍到 25下吧！
最後想了解更多 SemiKnow 的話，歡迎追蹤按讚我們的粉絲專頁：
本文章由SemiKnow半知半解所有，如需轉載請來信告知semiknow.official@gmail.com，如未經同意隨意修改文章發佈視為抄襲剽竊，請不要挑戰智慧財產權謝謝！
