FPGA問(wèn)世40周年：國(guó)產(chǎn)能否挑起大梁

在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)PGA是非常重要的一種器件。今日，AMD宣布首款商用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA）已經(jīng)問(wèn)世40周年。

在FPGA背后有哪些故事，目前國(guó)內(nèi)國(guó)外發(fā)展情況如何，國(guó)產(chǎn)FPGA能否獨(dú)挑大梁？

從替代ASIC到邊緣AI

FPGA的顛覆在于引入了可重新編程硬件的理念。通過(guò)創(chuàng)建“像軟件一樣靈活的硬件”，F(xiàn)PGA重編程邏輯改變了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的面貌。開(kāi)發(fā)人員第一次可以設(shè)計(jì)芯片，如果規(guī)格或要求在中途甚至在制造之后發(fā)生變化，他們可以重新定義其功能以執(zhí)行不同的任務(wù)。這種靈活性使新芯片設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)更加迅速，加快了新產(chǎn)品的上市時(shí)間，并為ASIC提供了替代方案。

FPGA的發(fā)明對(duì)市場(chǎng)的影響是驚人的。FPGA開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)10+億美元的行業(yè)。

FPGA是由已故的Ross Freeman發(fā)明的，他是Xilin（現(xiàn)在是AMD的一部分）的聯(lián)合創(chuàng)始人，他是一位工程師和創(chuàng)新者，他認(rèn)為必須有一種更好、更具成本效益的芯片設(shè)計(jì)方法，而不是標(biāo)準(zhǔn)的固定功能ASIC器件。FPGA為工程師提供了即時(shí)更改芯片設(shè)計(jì)的自由和靈活性，并能夠在一天內(nèi)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)定制芯片。FPGA還幫助開(kāi)創(chuàng)了“無(wú)晶圓廠(chǎng)”（Fabless）商業(yè)模式，改變了整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)。通過(guò)消除對(duì)定制掩模工具的需求和相關(guān)的非經(jīng)常性工程成本，F(xiàn)PGA通過(guò)證明公司不需要擁有代工廠(chǎng)來(lái)創(chuàng)造突破性的硬件，他們只需要視覺(jué)、設(shè)計(jì)技能和 FPGA，從而幫助加速硬件創(chuàng)新。

自世界上第一個(gè)商用FPGA（XC2064）出貨以來(lái)的40年里，F(xiàn)PGA在電子領(lǐng)域無(wú)處不在，并深深嵌入到日常生活中。如今，自適應(yīng)計(jì)算設(shè)備，包括FPGA和自適應(yīng)SoC以及系統(tǒng)級(jí)模塊（SOM），無(wú)處不在，從汽車(chē)、鐵路車(chē)廂和交通信號(hào)燈到機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、航天器和衛(wèi)星，再到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療和測(cè)試設(shè)備、智能工廠(chǎng)、數(shù)據(jù)中心，甚至高頻交易系統(tǒng)。

世界上第一款商用FPGA XC2064具有85,000個(gè)晶體管、64個(gè)可配置邏輯塊和58個(gè)I/O 塊。相比之下，當(dāng)今最先進(jìn)的基于AMD FPGA的器件（如Versal Premium VP1902）具有 1,380億個(gè)晶體管、1,850萬(wàn)個(gè)邏輯單元、2,654個(gè)I/O模塊、多達(dá)6,864個(gè)DSP58引擎，以及用于內(nèi)存、安全和接口技術(shù)的廣泛硬核IP

自從1985年賽靈思發(fā)明FPGA以來(lái)，F(xiàn)PGA容量已經(jīng)提高了一萬(wàn)倍以上， 速度提高了一百倍以上，價(jià)格和功耗縮小了一千倍以上。

而在應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA正在加大對(duì)于邊緣AI領(lǐng)域的探索，更多市場(chǎng)被AI所撬動(dòng)。

如今，大多數(shù)AI工作負(fù)載都在數(shù)據(jù)中心GPU上運(yùn)行。然而，越來(lái)越多的AI處理正在邊緣進(jìn)行。FPGA 技術(shù)處于各行各業(yè)中注入AI的應(yīng)用快速增長(zhǎng)的最前沿。FPGA和自適應(yīng) SoC 提供實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)的低延遲處理，從而在邊緣加速AI推理。隨著最近推出的更小的生成式AI模型，可以看到“ChatGPT 時(shí)刻”即將到來(lái)，這些新的AI模型可以在邊緣設(shè)備上運(yùn)行，無(wú)論是在AI PC、車(chē)輛、工廠(chǎng)機(jī)器人、太空還是任何嵌入式應(yīng)用程序上。

展望未來(lái)，基于FPGA的自適應(yīng)計(jì)算將繼續(xù)推動(dòng)邊緣AI應(yīng)用的突破，用于自動(dòng)駕駛、機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化、6G 網(wǎng)絡(luò)、氣候變化、藥物發(fā)現(xiàn)、科學(xué)研究和太空探索。

FPGA國(guó)際四雄，不分伯仲

經(jīng)過(guò)幾十年的寡頭壟斷和行業(yè)整合，目前全球FPGA市場(chǎng)方面，AMD、Altera、萊迪思（Lattice）、微芯科技（Microchip）成為國(guó)際四雄，瓜分全球?qū)⒔?0%~80%的市場(chǎng)份額。

第一，AMD（賽靈思Xilinx）作為FPGA的發(fā)明者，其過(guò)去25年一直是FPGA市場(chǎng)份額的領(lǐng)導(dǎo)者。在過(guò)去的四十年里，已經(jīng)向不同細(xì)分市場(chǎng)的 7,000 多家客戶(hù)交付了超過(guò) 30 億個(gè) FPGA 和自適應(yīng) SoC（將 FPGA 架構(gòu)與片上系統(tǒng)和其他處理引擎相結(jié)合的設(shè)備）。事實(shí)上，在過(guò)去 25 年中一直是可編程邏輯市場(chǎng)份額的領(lǐng)導(dǎo)者，AMD相信，憑借產(chǎn)品組合和路線(xiàn)圖的優(yōu)勢(shì)，AMD有能力繼續(xù)保持市場(chǎng)領(lǐng)先地位。

過(guò)去40年里，AMD創(chuàng)新和不斷發(fā)展的市場(chǎng)需求導(dǎo)致了FPGA技術(shù)的許多驚人突破：

• 1985 年：XC2064 – 第一款商用 FPGA

• 1990 年代：XC4000 和 Virtex? FPGA – 率先為無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施提供嵌入式 RAM 和 DSP。

• 1999 年：推出 Spartan 系列 – 為大批量應(yīng)用提供傳統(tǒng) ASIC 的高性?xún)r(jià)比替代方案。

• 2001 年：第一款集成了 SerDes 的 FPGA。

• 2011 年：Virtex-7 2000T 成為業(yè)界首個(gè)生產(chǎn)部署的晶圓基板芯片 （CoWoS） 封裝 -- 有助于率先使用先進(jìn)的 2.5D 集成技術(shù)，這些技術(shù)已成為 HPC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在正在推動(dòng) AI 的 GPU 創(chuàng)新浪潮。

• 2012 年：Zynq 系列 – 首款將 Arm CPU 與可編程邏輯相結(jié)合的自適應(yīng) SoC。

• 2012 年：Vivado? Design Suite – 使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠使用 FPGA 設(shè)計(jì)。

• 2019 年：推出首款 Versal ACAP —— 推出專(zhuān)用 AI 引擎和可編程片上網(wǎng)絡(luò) （NOC）。

• 2019 年：Vitis? 統(tǒng)一軟件平臺(tái) – 提供預(yù)優(yōu)化的 AI 工具和抽象層，以加快推理速度。

• 2024 年：Versal AI Edge 系列 Gen 2 – 集成可編程邏輯、CPU、DSP 和 AI 引擎，在單芯片上實(shí)現(xiàn)首個(gè)端到端 AI 加速，并為需要異構(gòu)、低延遲和高能效計(jì)算的新一代應(yīng)用提供支持。

• 2024 年： Spartan UltraScale+ FPGA 系列，進(jìn)一步豐富了廣泛的成本優(yōu)化型 FPGA 和自適應(yīng) SoC 產(chǎn)品組合，為邊緣的 I/O 密集型應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的性能。

從上面可以看出AMD特別關(guān)注AI，除了AI領(lǐng)域，AMD特別關(guān)注汽車(chē)領(lǐng)域。智能座艙是最近幾年廠(chǎng)商發(fā)力的重點(diǎn)，但車(chē)廠(chǎng)逐漸發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有SoC擴(kuò)展能力不足，面對(duì)多傳感融合具備一定挑戰(zhàn)，這種情況下，F(xiàn)PGA更具優(yōu)勢(shì)。日前，AMD便針對(duì)ADAS傳感器應(yīng)用和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)（ IVI ），推出了 AMD 汽車(chē)車(chē)規(guī)級(jí)（ XA ）系列的最新成員：Artix? UltraScale+? XA AU7P。

不過(guò)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，AMD目前策略還是將賽靈思的FPGA當(dāng)作整個(gè)解決方案的一環(huán)，不會(huì)特別強(qiáng)調(diào)FPGA的特殊地位。畢竟FPGA也有自己的專(zhuān)長(zhǎng)，而不是一個(gè)萬(wàn)能的通解，AMD更想提供高性能 CPU、GPU、FPGA 和自適應(yīng) SoC一整套產(chǎn)品線(xiàn)。

第二，Altera重新變成獨(dú)立公司，F(xiàn)PGA格局再生變。英特爾在前首席執(zhí)行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）的領(lǐng)導(dǎo)下，開(kāi)始了剝離Altera的程序。新任首席執(zhí)行官陳立武（Lip-Bu Tan）上任僅兩周，便已著手開(kāi)展各項(xiàng)工作。陳立武精心策劃，將Altera 51%的股份以44.6億美元的價(jià)格出售給私募股權(quán)巨頭銀湖資本 (Silver Lake Partners)，使得這家FPGA制造商的估值達(dá)到87.5億美元。當(dāng)然，這比英特爾2015年6月收購(gòu)Altera時(shí)支付的167億美元要少得多。

拆分后，Altera一直比較看重Agilex這個(gè)產(chǎn)品系列，并第一時(shí)間發(fā)布面相智能邊緣的Agilex? 3 FPGA 和 SoC FPGA。Altera 的 Agilex? 3 FPGA 和 SoC 可在不影響性能的前提下顯著提高成本效益。其通過(guò)出色的Hyperflex? FPGA 架構(gòu)、先進(jìn)的收發(fā)器技術(shù)、更高的集成度和更強(qiáng)大的安全功能，助用戶(hù)將項(xiàng)目提升至新的高度。

有意思的是，Altera拆分后還放出了Agilex? 3與萊迪思Certus-N2跑分對(duì)比數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，全面碾壓萊迪思。

第三，Lattice堅(jiān)持以中小尺寸產(chǎn)品走中低端路線(xiàn)，是其多年前便選定的競(jìng)爭(zhēng)策略，整體在多年中表現(xiàn)比較穩(wěn)健。Lattice目前比較關(guān)注三個(gè)市場(chǎng)。

AI方面，Lattice正在探索如何利用AI，特別是生成性AI（Gen AI）的最新研究成果，來(lái)提升整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。具體而言，Lattice更專(zhuān)注在AI推理（inference），尤其是在邊緣端的推理應(yīng)用。邊緣端推理通常對(duì)功耗有更高的要求，而在性能上則可以做一定的妥協(xié)。關(guān)于機(jī)器人和仿真機(jī)器人的馬達(dá)控制也是Lattice比較傳統(tǒng)的應(yīng)用。

汽車(chē)方面，Lattice一直在加大“在中國(guó)為中國(guó)”戰(zhàn)略，與國(guó)內(nèi)大部分汽車(chē)Tier-1廠(chǎng)商已有非常緊密的合作關(guān)系，并且對(duì)后期市場(chǎng)充滿(mǎn)信心。2024年，Lattice針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域推出5到6款不同的應(yīng)用方案。如果將這些新方案與不同的Tier-1廠(chǎng)商數(shù)量以及每年新產(chǎn)品迭代的速度相乘，整體應(yīng)用方案的推廣速度將在后期呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

工業(yè)方面，Lattice有很好的預(yù)期，其在中國(guó)已擁有眾多客戶(hù)。由于工業(yè)細(xì)分市場(chǎng)之間具有互補(bǔ)性，某些增長(zhǎng)速度較慢的市場(chǎng)可以被其他市場(chǎng)所補(bǔ)充。因此，我們將工業(yè)市場(chǎng)視為基線(xiàn)，作為收入增長(zhǎng)的最大驅(qū)動(dòng)力。

第四，Microchip一直FPGA領(lǐng)域的“隱形冠軍”，其本身產(chǎn)品擁有很多核心科技，只不過(guò)好像沒(méi)有AMD、Altera那樣經(jīng)常被提起。

今年，Microchip也開(kāi)始發(fā)力向 AMD、Altera 和 Lattice爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額。最近，Microchip對(duì)其PolarFire 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯 FPGA 和系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC) 器件的價(jià)格進(jìn)行了調(diào)整，通過(guò)禁用芯片上的某些模塊(尤其是收發(fā)器)來(lái)降低定價(jià)，以降低 PolarFire Core 和 PolarFire SoC Core 的測(cè)試成本，整體價(jià)格也降低了30%。通過(guò)“模塊裁剪”策略，降低成本實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)產(chǎn)品定位。

此外，值得注意的是，PolarFire SoC產(chǎn)品內(nèi)置五核 RISC-V 架構(gòu)，支持異構(gòu)多系統(tǒng)并行運(yùn)行，體現(xiàn)了 Microchip 向開(kāi)放指令集架構(gòu)（ISA）生態(tài)靠攏的戰(zhàn)略方向。

可以說(shuō)，Microchip的降價(jià)不僅是價(jià)格策略，更是爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額、生態(tài)主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)略舉措。FPGA行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)已從晶體管密度轉(zhuǎn)向AI時(shí)代的高性?xún)r(jià)比算力平臺(tái)。

國(guó)產(chǎn)FPGA，大器晚成

“造芯就是砸錢(qián)”，F(xiàn)PGA領(lǐng)域則砸得更狠。國(guó)內(nèi)FPGA設(shè)計(jì)始于20世紀(jì)90年代，真正技術(shù)發(fā)展于2000年以后，起步比國(guó)外晚十多年。FPGA研發(fā)技術(shù)含量很高，無(wú)論從邏輯單元數(shù)量到制程工藝等國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)商均有差距。

目前國(guó)內(nèi)與FPGA相關(guān)研發(fā)企業(yè)數(shù)量超過(guò)28家，其中已在A股上市的企業(yè)包括復(fù)旦微電子、安路科技、航錦科技，成都華微電子上市“已問(wèn)詢(xún)”，紫光同創(chuàng)在日前啟動(dòng)上市輔導(dǎo)備案，云半導(dǎo)體、京微齊力、中科億海微、智多晶、遨格芯微、易靈思則一直被加注。

具體來(lái)說(shuō)，復(fù)旦微電在國(guó)內(nèi)較早推出億門(mén)級(jí)FPGA，新一代十億門(mén)級(jí)產(chǎn)品正在研發(fā)中，并且有可編程片上系統(tǒng)的技術(shù)儲(chǔ)備；紫光同創(chuàng)覆蓋高、中、低端等多層次FPGA市場(chǎng)；安路科技在FPGA/集成CPU、FPGA、數(shù)據(jù)處理專(zhuān)用引擎等單芯片產(chǎn)品方面都有儲(chǔ)備，量產(chǎn)供貨產(chǎn)品已覆蓋100K以?xún)?nèi)的邏輯單元規(guī)模，并且PHOENIX1 系列中邏輯單元為 400K 的新產(chǎn)品已成功流片；京微齊力基于22nm工藝制程的FPGA已成功量產(chǎn)；易靈思基于RISC-V軟核的FPGA已商用，并在16nm、40nm有長(zhǎng)期的產(chǎn)品規(guī)劃；西安智多晶自主研發(fā)的Seal 5000、Sealion 2000 系列 FPGA/CPLD 芯片經(jīng)過(guò)工業(yè)和信息化部電子第五研究所評(píng)估認(rèn)證，通過(guò)了自主可控等級(jí)評(píng)定。

而縱觀安路科技、紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電幾家公司關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，由于研發(fā)費(fèi)用占比一度超100%，導(dǎo)致有一段時(shí)期凈利為負(fù)。不過(guò)，得益于政策傾斜和科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼，這種窘境一定程度上得以緩解。

通過(guò)對(duì)比國(guó)際尖端產(chǎn)品，核心參數(shù)差距依然較大。不過(guò)，國(guó)內(nèi)也非常注重軟件生態(tài)的建設(shè)。

比如說(shuō)，智算平臺(tái)是復(fù)旦微磨礪3年研發(fā)出來(lái)的一款針對(duì)CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基于FPGA的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速平臺(tái)，具有高算力、低功耗的加速效果，提供高達(dá)1TGOPS的算力，靈活的支持VGG、YOLO、FaceNet等主流深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)。

再比如，2022年5月，安路科技發(fā)布SF1系列FPSoC器件，SF1以單芯片實(shí)現(xiàn)了RISC-V和可編程邏輯的優(yōu)勢(shì)融合，獲得廣泛市場(chǎng)關(guān)注。

又比如，Pango Design Suite EDA 套件是紫光同創(chuàng)基于多年FPGA開(kāi)發(fā)軟件技術(shù)攻關(guān)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而研發(fā)的一款擁有國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模FPGA開(kāi)發(fā)軟件，可以支持千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

總計(jì)起來(lái)，國(guó)產(chǎn)主要存在以下三個(gè)發(fā)展瓶頸：

• 專(zhuān)業(yè)壁壘：美國(guó)幾乎持有所有FPGA核心專(zhuān)利，不過(guò)FPGA商用至今，許多專(zhuān)利開(kāi)始慢慢到期；

• 人才問(wèn)題：EDA核心工具專(zhuān)業(yè)人才，特別是布局布線(xiàn)的算法高級(jí)人才幾乎沒(méi)有；

• 生態(tài)環(huán)境：當(dāng)前基本都是AMD（Xilinx）、Altera、Lattice的生態(tài)，后進(jìn)者難以建立生態(tài)優(yōu)勢(shì)，IP資源圈、開(kāi)發(fā)資源圈都得從頭建設(shè)。

不過(guò)，隨著邊緣AI進(jìn)一步火熱，加之專(zhuān)利逐漸到期，國(guó)內(nèi)FPGA發(fā)展迎來(lái)春天。這些公司也普遍都有FPGA與AI結(jié)合的相關(guān)產(chǎn)品。

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