从指纹识别到3D touch,再到双摄像头,苹果似乎总有把别人用过的技术“发扬光大”的本事。而今天我们要讨论的是曾出现在三星Galaxy S4及S5,用于红外识别和二维码识别,但在S5以后被取代了的FPGA,这次却出现在iPhone7中,意义就大大不同了。据了解,该芯片隶属于莱迪思半导体iCE40系列,是一颗低密度低功耗小封装FPGA产品。

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有趣的是,按照常识,虽然FPGA优势是快速响应市场,但是价格比大规模流片的ASIC成本高。以苹果年销售1亿部iPhone的规模,如果要尽可能地降低成本,应该尽可能采用ASIC芯片,所以这次苹果破天荒首次加入FPGA器件的设计引起了大家的兴趣。

FPGA号称“万能芯片”

从技术角度讲,它是可编程的产品,在不改变芯片本身硬件组成的情况下可反复使用。根据市场变化,在同样载体上实现不同功能。听起来很美好,但研发起来很困难,能做FPGA器件的厂商一定是大牛中的大牛,因为像英特尔(Intel)、德州仪器(TI)这样的半导体巨头也曾尝试进入这个市场,但都因为这样那样的原因铩羽而归。目前,全球范围内能够量产FPGA的企业屈指可数,Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi都是大家耳熟能详的美国企业。

FPGA是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,其优点包括可以快速成品、可被修改、可改正程序中的错误和更便宜的造价等。工程师对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,就可以实现想要的逻辑。FPGA还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA能完成任何数字器件的功能,甚至是高性能CPU都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸:加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后进入工作状态;掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此FPGA能够反复使用。使用FPGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB印刷电路板的面积,提高系统的可靠性。在FPGA内置入硬核CPU或软核CPU,既能实现数字逻辑又能适应嵌入式开发。

目前FPGA的主要应用领域是通讯、工控、国防、消费,近年来FPGA最引人关注的变化趋势之一就是应用领域不断拓展。

在FPGA传统应用市场方面,通信逐步实现高速、复杂协议,消费电子应用则注重低功耗、低成本。此外,FPGA还广泛应用于医疗电子、安防、视频、工业自动化、语音网络、半导体制造设备以及家电等领域。FPGA在工业中的应用主要涉及四大领域,分别是马达控制、工业网络、机器视觉和机器人控制。以马达控制为例,重点是需要降低噪音、减少震动 、降低 EMI,同时获得更高的控制精度和减少能源消耗等。

iPhone7的这款FPGA器件或许只是临时工?

在苹果或者Lattice公开设计意图之前,我们很难知道苹果使用这颗芯片完成了哪些功能,以及Lattice是如何打入苹果供应链的。因此有些技术人士猜测,这颗FPGA放在这里所实现的功能,可能是Sensor HUB的功能,就是将多种传感器汇聚预处理(可能包含总线控制、总线转换、时分复用、接口转换等功能模块),在必要的时候再与主处理器CPU进行数据交互和进一步的运算,减少主处理器CPU相关模块的监控及运算频度,从而降低功耗、提升处理性能。

当然也有另外一些技术人士对此有不同意见,他们认为这颗FPGA的主要作用是用于USB Type C的控制,目前由于标准等原因,还没有ASSP厂商提供完整的解决方案,而Lattice利用FPGA的特性,率先成为USB Type C供应商之一。这也是FPGA相比较ASSP的优势,既加快上市周期,帮助客户节约时间成本。

最大的可能是苹果目前使用FPGA仅仅是一种权宜之计,当苹果能够打造出一颗专用芯片完成当前使用这颗FPGA能够完成的任务之后,它也很有可能会抛弃莱迪思。

同知乎的一位芯片工程师也认同上述观点,@chadwick bi认为这颗FPGA只是临时工:

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从Lattice官网可以看到,这颗FPGA只有3000个LUT,10KB-RAM,管脚更是少得可怜。大家都知道FPGA不应该用于高出货量产品,尤其是iPhone这种每月上千万的爆款。那么苹果在干什么?

这类事我恰恰以前常干,而且用的恰恰就是Lattice,因为他家FPGA最小最便宜。这里有两种可能:1.出货前发现的一处小bug,修改芯片会影响上市时间,所以紧急在PCB上加一块FPGA。如果bug太大,那FPGA也修不回来。估计2个月后芯片的修复版就到位了,届时可能就看不到这颗FPGA了。2.临时要求增加一个feature以应对供应链上的变化,比如接纳了额外的零件供货商或者采用更新/更便宜的零件,但是芯片设计已经完成,只能通过FPGA来转接。不同的iphone会有不同的零件供货商,所以这颗FPGA不会一直在那儿,而且最多也就呆2个月。

而另一位知乎匿名网友则表示不同意加FPGA是为了修bug的说法,理由:

1.fix bug默认都是ECO解决(芯片内部有大量冗余逻辑门用来修bug,叫eco),如果连ECO都没法解决的问题,像苹果这种不差钱的公司直接再tapeout一次,等到下一个minor版本再解决就好了(实际上后面几次tapeout在第一次tapeout之前就已经schedule了)。这样的minor版本在一款大型SoC开发过程中会有很多(比如V1.1,V1.2)间隔是很快的,一个月一版都很正常。比加一个FPGA要省力省时间(订购这么多FPGA要提前很长时间啊),风险也小,成本更是低太多。一颗SoC从tapeout到上市最少最少要10个月以上时间,经历数次版本更迭(不要低估一颗SoC bringup的复杂度),不差这一个月。

2.苹果在供应链上策略比较保守,毕竟量太大了。所以经常会看到苹果里的芯片都不一定是各个公司最新的芯片(比如高通的modem从来都用前代的)。也就是说这些芯片出问题的风险是较小的。那么出问题的如果是芯片之间的bridge,不会轮到需要FPGA来修。

3.如果是A10芯片自己出问题,更不可能用FPGA来修。仅从时钟频率来说,FPGA就不可能跑的快,和高度优化过timing的ASIC比时钟频率差距非常大,如果用FPGA来修复这部分功能还要跨时域,A10的这部分功能会严重降频,这对性能影响很大。如果数据/控制信号出来接一个慢得多的FPGA,加上这转接过程中的惊人的latency,是任何一个工程师无法忍受的,要知道我们都是为了每一个时钟周期在奋斗啊。

该网友认为:

从这个FPGA的规模来看确实很小,感觉规模和一个很小的resource manager,或者是很小的AOP(always on processor)相当(这两者在业界SoC里用的非常多,比如AOP用作识别语音唤醒cpu),功能有可能也是类似的(毕竟就这么少的逻辑)。结合FPGA对传感器的支持很好这点,个人猜测可能功能是类似sensor fusion的东西,收集各个传感器的数据(比如audio)预处理一下再决定是否传达给cpu以达到节能的目的,这样cpu避免每时每刻收集到一点传感器数据就高速运行了,相当于一个gate keeper。

总之无论是什么功能,有可能是这样的芯片市场上还没有厂商提供成熟的解决方案,甚至对应的协议可能都不成熟/没有统一,或者只是刚刚量产出来,所以先用FPGA快速做了一个这样功能的芯片,否则赶不上上市。毕竟12个月一个周期真的压力挺大的。

连接埠与连接线的配置如图2、图3所示。由于插座连接埠中的讯号採用对称设计,因此翻转插头并不会造成任何问题。USB 3.1 SuperSpeed TX/RX、VBUS、GND以及所有其他引脚会正确连接,不必考虑方向性。从使用者角度来看,因为Type-C连接线可以任一方向插入,因此是Type-A连接埠的升级版。

Lattice可能会是下一个具有非常高价值的IC设计公司

实际上,在上个月财报电话会议上,Lattice就表示,公司第二季度的营收表现“受益于某个一级OEM客户的产能爬坡”,此外,它还预计当前季度营收双位数的增长部分来自于“该一级OEM客户产能爬坡”的推动。

显然,Lattice信心满满的部分原因来自于它已经成功进入iPhone 7供应链的事实,而这得益于Lattice在2012年一项重大决策:面向移动应用推出第一代iCE40产品。

FPGA虽然是冷门领域但是竞争异常激烈,最赚钱的企业级市场被Xilinx与Altera把持。传统双雄Xilinx与Altera不再单纯比拼工艺节点,而是更加倾向从单纯芯片供应商向系统级解决方案供应商转变。此前,Lattice一直在两家背后苦苦追赶,营收体量小加上技术落后,日子和光景过的相当艰难;Lattice觉得再这样混下去起早要完蛋,于是切入利润较低的消费级市场,竟然获得重大成功。

自从猛攻消费类市场,短短三年间,消费电子市场为Lattice全年总营收的贡献比例,从原来的不足5%一跃增长到目前的30%,增幅超过300%,iCE器件出货量累计超过2.5亿片(截至2015年)。目前,业界Top10的智能手机都采用了Lattice的解决方案,iPhone7的大胆采用更是给Lattice一针强心剂。

主要归功于iCE40 UltraLite,这是当前业界最紧凑、功耗最低的FPGA器件,并且集成了众多新功能以及可供定制的灵活性,使消费类移动电子设备(如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等)和工业手持设备(如条码扫描器、气体检测器等)制造商能够快速实现产品差异化的“sha手级”功能。比如,iCE40系列产品率先支持USB type C标准。

Lattice凭借iCE40系列产品在消费级市场开疆扩土,主要竞争对手从传统的FPGA公司,变成了MCU和ASSP,FPGA的优势是可以随时修改代码,重新编程,缩短开发周期。目前,国内很多做逆向的FPGA厂商也在使用iCE40的IP硬核开发,在各类消费级市场出货凶猛。

据悉,紫光集团早前曾经在二级市场大量购入Lattice公司股份,该公司旗下的同创国芯在FPGA领域也有所斩获。在半导体并购大潮下,Lattice可能会是下一个具有非常高价值的IC设计公司。

从iphone7中,能否预见FPGA的未来?

随着智能化市场需求变化越来越快,定制芯片 (SoC asic) 项目巨减趋势已不可逆。采用ASIC方案的投资量大幅增加,周期长, 市场风险大幅加大。而相对来说FPGA技术正逐渐在向主流迈进。

FPGA 拥有并行计算优势,在高性能、多通道领域可以代替部分ASIC 和DSP,FPGA 的并行计算在多通道处理方面可以对传统的ASIC 方案进行优化。

以5 万片流片为临界点,FPGA 在高价值、批量相对较小、多通道计算的专用设备(如雷达、航天飞机、路由器)有取代ASIC 的趋势,这将是Xilinx固守的地盘。

FPGA 开发周期比ASIC 低55%,可以用来快速抢占市场。这也许是Lattice在批量较大的消费电子市场最重要的胜负手。

而Intel治下Altera FPGA的终极目标,应该是利用其在高性能低功耗及在深度学习的优势,最终融入CPU技术中,成就异构计算数据中心的明天。

从资本市场来看,之前紫光集团刚刚完成对Lattice的少量入股行为,Lattice(LSCC)目前在纳斯达克上市,总市值不超过8亿美元,相比Altera167亿美元的收购价,这样的体量不失为一个理想的收购目标,全球的FPGA企业一共也只有这4个标旳(Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi),Intel已经买下Altera,Xilinx作为行业老大暂时不大会卖,而剩余的两个稀缺标旳卖掉一个少一个。趁着进入iPhone7供应链的东风,不知道Lattice今年会不会市值暴涨,成为大佬们争夺的目标。不过看起来美国政府多半不会批准中国公司收购这么关键技术的敏感公司,所以中国本土的FPGA企业一定要快马加鞭,争取早日实现替代进口,这样方能摆脱受制于人的局面。

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