Si toda la industria de procesadores y muchos gobiernos tienen sus ojos puestos en la oferta de adquisición de ARM de la estadounidense Nvidia, que bien puede ser abandonada, hay otra operación cuyo monto es casi igual de enorme, pero que hace menos ruido: la adquisición de Xilinx por parte de AMD.
Si bien las investigaciones de las autoridades de competencia de muchos países se acumulan para descarrilar el acuerdo de 40 mil millones de Nvidia, el de AMD, lanzado mucho después y casi tan alto (35 mil millones de dólares), debería finalizar pronto. a finales del primer trimestre de 2022. Sin haber planteado la menor gran duda.

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Además de que el destino de la ISA ARM es vital para cientos de empresas que utilizan la licencia ARM (como Apple o Qualcomm), que ARM es un campeón europeo (británico) tragado por un americano, también hay que reconocer que los chips diseñados por Xilinx son poco conocidos.

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Si las dos adquisiciones no pueden incluirse en el mismo plan estratégico, y entonces se trata «simplemente» de que un estadounidense se trague a otro, aún es bueno comprender el alcance del acuerdo. Para hacer esto, debe saber qué esconden los chips en el corazón de la actividad de Xilinx, debe comprender todas las apuestas tecnológicas en torno a los enigmáticos procesadores FPGA.

Procesadores programables… hasta el infinito

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El acrónimo FPGA significa » Arreglos de compuertas lógicas programables en sitio « literalmente “red de puertas programables”. Para entender este galimatías, debemos recordar que los transistores de nuestros chips están dispuestos en puertas lógicas, que forman una función.
Todos los cálculos que realizan los procesadores se realizan eléctricamente. Una corriente pasa a través de redes de “puertas lógicas”, y esta secuencia permite resolver cálculos.
Un FPGA contiene una gran cantidad de estas puertas colocadas en una cuadrícula. Es esta cuadrícula la que está programada (y reprogramable) para crear las funciones al vincular las puertas según sea necesario.

En chips “normales”, como los microprocesadores de nuestros ordenadores (CPU), como nuestros chips gráficos (GPU), SoC y otros chips específicos (ASIC, etc.), la organización y la estructura son fijas. Tienen un número definido de unidades de cálculo, integran (o no) tal función de compresión de video, posiblemente incrustan tal módem 4G, tal acelerador de gráficos, etc. En resumen, una vez que su procesador Intel Core, su Nvidia GeForce y otros Qualcomm Snapdragon salen de la fábrica, ya no evolucionarán.

Y aquí es donde destacan y entran los chips FPGA. A diferencia de estos chips «clásicos», sus funciones así como sus usos no son fijos porque son, en todo o en parte, programables. Es decir, que en lugar de contar tantos transistores o unidades de cálculo fijas, las FPGA integran un determinado número de celdas lógicas que los desarrolladores podrán programar (casi) a su antojo.

¿Qué cambia esto? Bueno todo De manera muy simple, un FPGA que, en un momento T, está realizando compresión de video puede reconfigurarse para procesar sonido o incluso realizar cálculos de IA. En realidad, obviamente es menos simple, hay muchos chips FPGA muy diferentes, desde los más simples y económicos hasta los más complejos y caros, a menudo con aplicaciones de destino: procesamiento de video, redes, etc.

Pero el hecho es que estos chips «vírgenes» pueden hacer todo (o casi) y evolucionar, incluso cambiar funciones, con el tiempo. Esta es también la razón por la cual los diseñadores de chips como Intel, AMD y otros usan FPGA para preparar… sus procesadores del futuro.
Incluso antes de lanzar la producción de prueba, todos los diseñadores de chips programan un FPGA para simular el comportamiento exacto de su futuro chip, pero a frecuencias mucho más bajas.

De 1 a 100.000 euros por unidad

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Si pensaba que había una gran diferencia de precios entre los procesadores Pentium y los grandes procesadores Xeon, se sorprenderá mucho. Los diferenciales de precio de los chips programables son aún mayores. ¡Esto va desde menos de 1 euro, para los FPGA más simples, hasta más de 100,000 euros cada uno para los modelos más avanzados!
Estas diferencias de precio se explican por las enormes diferencias de complejidad, tanto en finura de grabado, formato – rollos de chips bajo costo para “pegarse” en masa en placas base, o chips ultracomplejos con placas de desarrollo y suites de software, etc.
Si bien incluso los Xeon más caros se venden en decenas de miles de unidades, los FPGA de gama más alta no alcanzan tales volúmenes.

Parte de la complejidad de los FPGA se explica por la propia naturaleza de estos chips: su programación es volátil. Por lo tanto, los chips deben, en cada (re)inicio, cargar su programa, su «diseño» operativo, desde un área de memoria (ROM externa o interna) para «tomar forma».

Los FPGA de gama más alta son verdaderas joyas tecnológicas, que se asemejan un poco a los SoC (Sistema en un chipchips todo en uno) de nuestros teléfonos inteligentes.
Porque, además de la parte programable, también hay memoria de almacenamiento (para programar al inicio), así como núcleos de CPU (normalmente ARM, pero ahora también RISC-V), RAM, DSPs, etc.
Según las necesidades de las aplicaciones, los chips son más o menos complejos, y de gran tamaño porque, obliga la programabilidad, la densidad de unidades de cálculo es inferior a los ASIC. Los FPGA más complejos de Xilinx (Virtex UltraScale+ VU19P) ya incluían 35 mil millones de transistores a mediados de 2019, dos años antes que Apple M1 Pro (que tiene 33,7 mil millones).

Una miríada de usos

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Como hemos visto, el precio de las FPGA varía según las gamas y según las necesidades.

« Hay tres tipos de FPGA “, explica Jacques Cesbron, especialista en FPGAs de Intel, y que ya trabajó en Altera antes de su absorción por el gigante de los chips.
« Hay chips de gama alta, gama media y de bajo coste. Los primeros se encuentran entre los chips más complejos del mundo y, a menudo, ofrecen la densidad lógica más alta de los semiconductores. El mercado se refiere a unos pocos miles a unas pocas decenas de miles de piezas. Los chips de rango medio se producen en cientos de miles de piezas y los chips de bajo costo en dólares en millones de piezas. »

Dependiendo de su rango, los diferentes chips FPGA tienen diferentes usos, pero siempre es el mercado objetivo el que determina su uso.

« Por un lado, los chips FPGA tienen la fuerza intrínseca de ofrecer un rendimiento muy alto, una latencia muy baja y un comportamiento fácil de predecir. Algunas aplicaciones críticas necesitan este tipo de chip “dice Jacques Cesbron.
« Pero es también y sobre todo una historia de mercado, aplicación y madurez tecnológica. ».

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¿Dónde se encuentran los FPGA? Absolutamente en todas partes, pero por diferentes razones. Se encuentran en automóviles y aviones de combate (F-35) por su capacidad de trabajar rápidamente, en cajas de TV al inicio de cada nueva generación de códec de video (Mpeg 2, HEVC, ahora AV1), en consolas retro, en video cajas de captura (Elgato), para volúmenes de producción bastante bajos, etc.
También se encuentran en laboratorios de todo el mundo, cuando se necesita emular o desarrollar un chip. Y cada vez más, se están haciendo un hueco en los centros de datos y ordenadores por su gran potencia.

En todas estas áreas, los FPGA están ahí porque son flexibles (funcionalidad de actualización) o porque son los únicos que pueden cumplir la misión dado el precio, el volumen y la madurez tecnológica.

Reyes de la siembra tecnológica y los pequeños volúmenes

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« Con la llegada de cada nueva tecnología como 5G, códec de video AV1, etc. todavía no hay chips dedicados (ASIC y otros, nota del editor) y desarrollarlos y producirlos en pequeño volumen sería demasiado costoso “, explica Jacques Cesbron.
« Aquí es donde entran los FPGA. Por debajo de ciertos volúmenes, estos chips son más rentables que los ASIC, lo que permite lanzar los primeros productos compatibles. Además, su programabilidad les permite evolucionar con el tiempo cuando, por ejemplo, los estándares -como el 5G- no están completamente parados. »

Entonces, los FPGA son un Santo Grial para todo uso, ¿chips perfectos? No.

« A partir de cierto volumen, los SoC o ASIC son más interesantes, tanto por coste como por eficiencia energética “dice Jacques Cesbron.

Una opinión totalmente compartida al otro lado de la barrera, es decir del lado de los fabricantes de productos.

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« Estudié todas las soluciones y los chips FPGA fueron la elección correcta teniendo en cuenta nuestras necesidades y nuestros volúmenes. “, explica David Barth, fundador y director ejecutivo de Pixii, la primera empresa en producir cámaras en Francia durante más de cuatro décadas.
« Probé chips ARM de 64 bits, SoC muy avanzados, etc. pero una vez que comencé a medir la potencia de los FPGA, los adopté de inmediato. “, se entusiasma el empresario francés.
« Una FPGA ya puede hacer cosas que un procesador no puede hacer. Un procesador nunca podrá leer un sensor, y una GPU solo puede hacerlo contorsionándose. Si bien todos estos chips funcionan secuencialmente, un FPGA hace todo en paralelo: es un cambio de paradigma del mundo de las CPU. ».

Además de estas capacidades técnicas, la elección de instalar un FPGA en las diferentes versiones de la cámara Pixii también está relacionada con la relación precio/rendimiento/volumen.

« Si es cierto que las nuevas herramientas de diseño permiten abaratar los costes de fabricación de chips especializados (ASIC) desde 50.000 unidades, desde la crisis del COVID ya no quedan capacidades de producción libres. . Los chips FPGA están disponibles y puedes hacer que hagan lo que quieras. “, explica David Barth. Aquí hay un ingeniero que seguirá mirar hacia los SoC o ASIC cuando surja la necesidad “, pero que no podría producir la más mínima cámara, si no existieran las FPGA.

Estados Unidos sigue siendo ultradominante

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Si el mundo de las FPGA está menos consolidado que el de las CPU o las GPU, el resultado final es el mismo: Estados Unidos son los reyes del mundo. Basta con echar un vistazo a los cinco mejores jugadores del segmento, todos estadounidenses, para tomar la medida. Una dominación amplificada aún más por el acuerdo firmado entre AMD y Xilinx.
Un caso en el que AMD, que es el número dos mundial en chips para PC, el número dos mundial (¡otra vez!) en chips para servidores y supercomputadoras, el número dos mundial (¡sí, otra vez!) en chips gráficos y el número 1 mundial en chips para consolas , pone sus manos en el número 1 mundial en FPGAs.

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Cuando tome oficialmente el control de Xilinx, AMD será un gigante del diseño de chips, como su archienemigo: Intel.
El número 1 mundial en semiconductores había medido, antes que AMD, la importancia de estos chips programables y desembolsó 16.700 millones de dólares en 2016 para hacerse con el segundo mayor diseñador de chips FPGA, el estadounidense Altera.

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Además, si la adquisición de Xilinx por parte de AMD no tiene el mismo alcance que la de ARM por parte de Nvidia, no impide que siga cuestionando a Europa sobre el dominio total de los americanos en el segmento de los semi-conductores, pero cada vez más estratégico. a medida que el mundo se vuelve digital. Si varios análisis de mercado muestran que China consume cada vez más estos chips y, sobre todo, gana impulso en su desarrollo, el Viejo Continente parece tener suscriptores ausentes o demasiado tímidos, a pesar de los esfuerzos previstos por Thierry Breton y su European Chips Act. .