10分鐘了解FPGA市場現狀和未來趨勢XC6SLX25-2CSG324C

發布時間:2022/9/24 14:48:00 訪問次數:70

可編程的“萬能芯片” FPGA——現場可編程門陣列，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內部連接結構和邏輯單元，完成既定設計功能的數字集成電路。

一、FPGA簡介

FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx創始人之一Ross Freeman發明，雖然有其他公司宣稱自己最先發明可編程邏輯器件PLD，但是真正意義上的第一顆FPGA芯片XC2064為xilinx所發明，這個時間差不多比摩爾老先生提出著名的摩爾定律晚20年左右，但是FPGA一經發明，后續的發展速度之快，超出大多數人的想象，近些年的FPGA，始終引領先進的工藝。

FPGA—“萬能芯片”

FPGA可以實現怎樣的能力，主要取決于它所提供的門電路的規模。如果門電路的規模足夠大，FPGA通過編程可以實現任意芯片的邏輯功能，例如ASIC、DSP甚至PC處理器等。這就是FPGA為什么被稱之為“萬能芯片”的原因。

FPGA內部結構

FPGA可隨意定制內部邏輯的陣列，并且可以在用戶現場進行即時編程，以修改內部的硬件邏輯，從而實現任意邏輯功能。這一點是ASIC和和DSP都無法做到的。形象點來說，傳統的ASIC和DSP等于一張出廠時就寫有數據且不可擦除的CD，用戶只需要放到CD播放器就可以看到起數據或聽到音樂；而FPGA是一張出廠時的空白的CD，需要用戶自己使用刻錄機燒寫數據內容到盤里，并且還可以擦除上面的數據，反復刻錄。

可編程靈活性高、開發周期短、并行計算效率高

FPGA的核心優點：可編程靈活性高、開發周期短、并行計算可編程靈活性高。

與ASIC的全定制電路不同，FPGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門電路規模足夠大，通過編程可以實現任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復，不像ASIC設計后固化不能修改。所以，FPGA的靈活性也較高。實際應用中，FPGA的現場可重復編程性使開發人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，而不是替換和設計芯片（設計和）時間成本巨大），甚至FPGA可通過因特網進行遠程升級。

開發周期短。ASIC制造流程包括邏輯實現、布線處理和流片等多個步驟，而FPGA無需布線、掩模和定制流片等，芯片開發流程簡化。傳統的ASIC和SoC設計周期平均是14個月到24個月，用FPGA進行開發時間可以平均降低55%。全球FPGA第一大廠商Xilinx認為，更快比更便宜重要，產品晚上市六個月5年內將少33%的利潤，每晚四周等于損失14%的市場份額。

FPGA比ASIC的設計流程大幅減小

并行計算效率高。FPGA屬于并行計算，一次可執行多個指令的算法，而傳統的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計算，一次只能處理一個指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加頻率，所以ASIC、CPU的主頻一般較高。FPGA雖然普遍主頻較低，但對部分特殊的任務，大量相對低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高。另外，從某種角度上說，FPGA內部其實并沒有所謂的“計算”，最終結果幾乎是類似于ASIC“電路直給”，因此執行效率就大幅提高。

FPGA限制因素：成本、功耗和編程設計

未來，如果FPGA價格到低一定程度，將替代大多數的ASIC芯片。但是，目前制約FPGA發展的三大因素主要有：成本、功耗和編程設計。

ASIC 與 FPGA 對比

成本。如果ASIC流片量大，實現同樣邏輯的FPGA成本將是ASIC的10倍以上。按照上面的初步測算，以5萬片流片為零界點，低于5萬片的小批量多批次的專用控制設別（如雷達、航天飛機、汽車電子、路由器，這些高價值、批量相對較小、多通道計算的專用設備）采用FPGA更加經濟劃算。

FPGA和ASIC的成本粗算

功耗。FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因為FPGA廠商并不知道下游的具體需求應用，故在芯片中裝入規模巨大的門電路（其實很多沒有使用到），行業深度報告:FPGA—大數據和物聯網時代大有可為國防、汽車等，這些領域對低功耗要求不高。

編程設計。FPGA的發展中，軟件將占據60%的重要程度。例如Xilinx公司60%~70%的研發人員從事軟件工作。除了考慮芯片架構，編程設計時還要考慮應用場景多樣性、復雜性和效率。FPGA編程需要采用的專用工具進行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術門檻非常高。

二、國內外FPGA游戲廠商收錄

FPGA市場前景誘人，但是門檻之高在芯片行業里無出其右。全球有60多家公司先后斥資數十億美元，前赴后繼地嘗試登頂FPGA高地，其中不乏英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星這樣的行業巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國硅谷的四家公司：Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi(美高森美)，其中，Xilinx與Altera這兩家公司共占有近90%的市場份額，專利達到6000余項之多，如此之多的技術專利構成的技術壁壘當然高不可攀。而Xilinx始終保持著全球FPGA的霸主地位。

FPGA是一個技術密集型的行業，沒有堅實的技術功底，很難形成有競爭力的產品。這也是FPGA市場多年來被四大巨頭Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi(美高森美)基本壟斷的原因。

國外FPGA廠商：

公司名稱：Xilinx

總部：美國加利福尼亞圣何塞市

官網：http://www.xilinx.com/

1984年Xilinx共同創始人Ross Freeman, Bernie Vonderschmitt和 Jim Barnett 為自己定下了一個目標，那就是“針對特定應用市場，把Xilinx打造成為一個設計，制造，營銷，及用戶可配置邏輯陣列全面領先的企業。”從一個專利起步， Xilinx的創始人點燃了一種創新的精神。這種精神，不僅成就了一個前所未有的行業，而且也讓Xilinx成為半導體行業當之無愧的領導企業。

Xilinx大事記

Xilinx發明的FPGA顛覆了半導體世界，創立了Fabless（無晶圓廠）的半導體模式。Xilinx的產品組合融合了 FPGA、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件，以及全可編程的開發模型，包括軟件定義的開發環境等。產品支持 5G 無線、嵌入式視覺、工業物聯網和云計算所驅動的各種智能、互連和差異化應用。

Xilinx在5G 無線、嵌入式視覺、工業物聯網和云計算等都有所涉及

客戶使用Xilinx及其合作伙伴的自動化軟件工具和IP核對器件進行編程，從而完成特定的邏輯操作。目前Xilinx滿足了全世界對 FPGA產品一半以上的需求。

Xilinx產品線還包括復雜可編程邏輯器件（CPLD）。在某些控制應用方面CPLD通常比FPGA速度快，但其提供的邏輯資源較少。與采用傳統方法如固定邏輯門陣列相比，利用Xilinx可編程器件，客戶可以更快地設計和驗證他們的電路。而且，由于Xilinx器件是只需要進行編程的標準部件，客戶不需要象采用固定邏輯芯片時那樣等待樣品或者付出巨額成本。

Xilinx產品已經被廣泛應用于從無線電話基站到DVD播放機的數字電子應用技術中。傳統的半導體公司只有幾百個客戶，而Xilinx在全世界有7，500多家客戶及50，000多個設計開端。其客戶包括Alcatel，Cisco Systems，EMC，Ericsson，Fujitsu，Hewlett-Packard，IBM，Lucent Technologies，Motorola，NEC，Nokia，Nortel，Samsung，Siemens，Sony，Oracle以及Toshiba。

Xilinx可編程芯片為行業領導廠商提供了可選的創新平臺，使得他們可以設計和生產出數以萬計改善我們日常生活質量的先進產品。

公司名稱：Altera

總部：美國加利福尼亞圣何塞市

官網：https://www.altera.com.cn/

是世界上“可編程芯片系統”（SOPC）解決方案倡導者。結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術、知識產權(IP)和技術服務，在世界范圍內為14,000多個客戶提供高質量的可編程解決方案。新產品系列將可編程邏輯的內在優勢——靈活性、產品及時面市——和更高級性能以及集成化結合在一起，專為滿足當今大范圍的系統需求而開發設計。全面的產品組合不但有器件，而且還包括全集成軟件開發工具、通用嵌入式處理器、經過優化的知識產權(IP)內核、參考設計實例和各種開發套件等。

2015年，英特爾宣布以167億美元收購FPGA廠商Altera。這是英特爾公司歷史上規模最大的一筆收購。隨著收購完成，Altera將成為英特爾旗下可編程解決方案事業部（Programmable Solutions Group），丹·麥克納馬拉（Dan McNamara）將擔任這一部門的負責人。新成立的可編程解決方案事業部將攜手英特爾現有數據中心事業部與物聯網事業部，一起開發“高度定制化和高度集成化的產品。”新的一體化芯片最初將帶來30%至50%的性能提升，而最終的性能提升將達到2到3倍。這樣的計算性能對于人臉識別等計算任務很重要。

Altera公司產品

公司名稱：Lattice

總部：美國俄勒岡州

官網：http://www.latticesemi.com/zh-CN

萊迪思提供業界領先的SERDES產品。 FPGA和PLD是廣泛使用的半導體元件，最終用戶可以將其配置成特定的邏輯電路，從而縮短設計周期，降低開發成本。萊迪思的最終用戶主要是通訊、計算機、工業、汽車、醫藥、軍事及消費品市場的原始設備生產商。

萊迪思為當今系統設計提供全面的解決方案，包括能提供瞬時上電操作、安全性和節省空間的單芯片解決方案的一系列無可匹敵的非易失可編程器件。

2015年Lattice以6億美元收購了Silicon Image；2016年4月紫光宣布在公開市場收購Lattice 6.07%股權，致使Lattice的股票股價大漲18%；2016年11月3日， Lattice被Canyon Bridge 以13億美元收購，致使Lattice股價暴漲近20%，但此次收購最終被特朗普叫停，目前還在持續關注最新進展。Canyon Bridge Capital Partners創始人周斌(Benjamin Chow)正面臨起訴。

Lattice公司產品

公司名稱：Microsemi

總部：美國加利福尼亞州爾灣市

官網：http://www.latticesemi.com/zh-CN

2010年10月，美高森美（Microsemi）宣布，與愛特公司(Actel Corporation)達成最終協議，以每股20.88美元的現金邀約收購愛特公司。收購Actel后，美高森美一路走高，成為FPGA市場四大巨頭之一。

美高森美在業內久負盛名，因為該公司是美國國防軍工FPGA器件頂級供應商，每年都會出現在美國國防預算名單中，在高可靠性應用領域有出眾且獨特的芯片制造工藝技術，美國航空航天市場的FPGA電子器件幾乎由其一家承包，軍工方面有賽靈思和altera競爭。

美高森美主要產品包括：SMSC芯片、橋式整流器、三相整流橋、二極管整流模塊、單相整流模塊、三相整流模塊、高壓硅堆、快恢復整流模塊、晶閘管模塊及其它半導體器件和芯片。產品達到美國軍用/航空二極管標準，主要出口美國、廣泛應用于移動通信、計算機及周邊設備、醫療器械、汽車、衛星、通訊及軍用/航天等領域。

另外，美高森美在中國上海有一家制造工廠。集團于2017年3月21日在納斯達克發布上市公司公告稱，正式宣布基于集團公司戰略發展方向調整的原因，開始關閉其在中國的生產設施。

公司名稱：Achronix

總部：美國

官網：https://www.achronix.com/

Achronix半導體公司是一家提供高性能，高密度FPGA方案的美國高科技公司。公司擁有兩個主要產品線。其中一個商業FPGA線被命名為Speedster，這款產品系列的最高頻率將達到1.5GHz,要比其他所有FGPA的頻率都快。Speedster和Achronix公司的其他產品線，可適用于高輻射和惡劣溫度等環境，利用該公司的專利技術picoPIPE，可使得傳統的FPGA的吞吐量額外增加兩倍。

Archronix目前有三個產品系列：獨立芯片，嵌入式FPGA內核，和客戶的芯片進行組合封裝。

Achronix公司不久前推出了定制化的custom blocks(定制單元塊)。名為Speedcore Custom Blocks的IP新產品可加速數據密集的人工智能（AI）/機器學習、5G移動通信、汽車先進駕駛員輔助系統（ADAS）、數據中心和網絡應用。

Achronix將在2017年實現強勁的銷售收入和業務量增長，預計2017年第四季度完成后，銷售收入將超過1億美元。其中，Speedcore是三種產品中增速最快的產品。2016年10月第一次向媒體發布，目前在公司營收中占25%份額，預計未來三年內將為公司整體利潤貢獻50%。

Achronix作為FPGA的后來者，今年也要跨入1億美元俱樂部。新產品Speedcore 推出一年已占營收1/4，未來三年將占半壁江山。在夾縫中生長，Achronix的商業模式就是不走尋常路。

公司名稱：QuickLogic

總部：美國加利福尼亞州爾灣市

官網：http://www.latticesemi.com/zh-CN

QuickLogic Corporation (NASDAQ: QUIK) 是協助 OEM廠商延長電池續航力，以針對智能型手機、穿戴式及物聯網(IoT) 裝置達到高差異化、身歷其境的使用者體驗的一家公司。QuickLogic透過領導業界的超低功耗客戶可編程SoC半導體解決方案、嵌入式軟件、以及針對always-on語音及傳感器處理之算法方案提供相關優勢。該公司的嵌入式FPGA 方案同樣讓 SoC 設計者可簡單地進行生產后的變更，并透過將硬件可編程能力提供至其終端產品而提高營收。

QuickLogic的產品線主要包括：存儲，為廠商制作控制器；網絡：包括USB、WiFi、SPI等多種接口控制；圖形及影像處理優化；智能及安全幾部分組成。

QuickLogic公司主要從事客戶定制化標準產品，英文簡稱CSSP。以下有幾個案例：

2011年10月，QuickLogic宣布推出一個新的用于PolarPro®平臺系列應用的解決方案，該解決方案讓PolarPro®平臺把應用處理器上的SDIO端口連接到高通公司的調制解調器芯片組的EBI2接口上。這種新的應用解決方案為移動和手持設備設計師提供了一個低成本、低功耗、易于使用的方案，以取代USB端口這類通用接口。

2015年8月，QuickLogic公司推出新的EOS S3處理系統。EOS平臺中整合了一種革命性的架構，因而可以實現行業中最先進、計算功能最密集的傳感器應用系統，而功耗比競爭對手的技術低很多。EOS平臺的獨特好處是其中有2800個有效的在線可重復編程邏輯單元，當客戶為了把產品設計得有特色需要增加FFE或者客戶專用硬件時，可以使用這些邏輯單元。

2017年9月，中芯國際與QuickLogic共同宣布，基于中芯國際40納米低漏電 (40LL) 工藝，QuickLogic推出ArcticPro 嵌入式 FPGA (eFPGA)技術。QuickLogic的高級架構、成熟軟件和IP 生態系統與中芯國際40LL工藝相結合，為SoC設計人員提供了易于實施、高可靠性和極低功耗的eFPGA 解決方案。ArcticPro eFPGA技術如今已應用于各種領先工藝中，是業界首個在中芯國際40LL技術節點上提供的eFPGA IP。

國外四大FPGA巨頭概況

FPGA霸主賽靈思與阿爾特拉對比

國內FPGA廠商（排名不分先后）：

與國際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國內陸續誕生了一些FPGA設計公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場份額及技術方面和國際巨頭差距非常大，還遠未達到挑戰領先巨頭的實力。

公司名稱：深圳市國微電子股份有限公司

總部：中國深圳

官網：http://www.ssmec.com/

深圳市國微電子有限公司成立于1993年，是首家啟動的國家“909”工程的集成電路設計公司。主要從事特種行業集成電路的研發、測試和銷售，并提供系統集成解決方案，是國內最大的特種行業集成電路供應商。

公司擁有特種微處理器、特種存儲器、特種可編程器件、特種總線、特種接口驅動、特種電源管理和特種定制芯片七大產品方向200余款產品，同時可以為用戶提供ASIC/SOC設計開發服務及國產化系統芯片級解決方案。2012年底完成與上市公司紫光國芯股份有限公司（股票代碼：002049）重組工作，成為紫光國芯的全資子公司。

公司目前硬件設計平臺包括SUN公司的服務器及HP服務器工作站群，同時并配備有先進的EDA軟件、測試系統。掌握了數字邏輯（Digital）、模擬混合（Mixed-Signal）芯片的設計方法和設計流程。在高性能微處理器、高性能可編程器件、存儲類器件、總線器件、接口驅動器件、電源芯片和其它專用芯片等領域具有芯片設計能力以及相應整機產品的應用方案開發能力。

開發出完整的基礎單元庫，積累了豐富的IP核，如32位嵌入式微控制器核、嵌入式FPGA、高速SERDES等。擁有65納米以上CMOS、0.18微米EEPROM/Flash、0.35微米BCD、2.0微米Bipolar工藝制程的IC設計成功經驗，可提供數字、數模混合等專用芯片設計服務。

公司名稱：西安智多晶微電子有限公司

總部：中國陜西

官網：http://www.isilicontech.com/

西安智多晶微電子有限公司，Xian Intelligence Silicon Technology, Inc. （XiST) ，自2012年成立以來，智多晶一直專注于可編程邏輯電路器件技術的研發生產，遵循公司CEO賈紅先生提出的經營理念——“做國內頂尖的FPGA設計公司，成為國內最受人尊敬的企業”。公司主營業務為研發、生產、銷售可編程集成電路、設備、芯片、可編程系統設計平臺、軟件、并且針對目標市場的需求，開發代碼和IP、提供終端客戶完整解決方案。

公司緊緊抓住可編程邏輯電路器件研發的技術核心，在LED驅動、高端醫療、智能儀表、工業控制等四大應用領域研發創新并推出相關產品，提供高質量，低功耗，低成本，馬上可投入量產的系統集成解決方案。智多晶現有產品Seagull 1000系列、sealion2000系列及在研seal 5000系列，智多晶的產品得到業界的廣泛好評，并已應用到民用市場、安防和國防建設的多個領域,其中sealion2000系列12K產品出貨量已達到百萬片。

智多晶核心團隊組合匯集美國硅谷及中國等地各方面的人才，具有20年以上的集成電路產品研發和應經驗。積累了豐富的和系統的可編程電路研發專有技術群。團隊曾經開發了好幾代的可編程邏輯電路芯片制造工藝，成功地推出世界一流的可編程邏輯電路芯片。為前公司創造了每年10億的產值。是全世界除了四家美國公司之外，第五個跨過技術門檻的團隊。

公司名稱：廣東高云半導體科技股份有限公司

總部：中國廣東

官網：http://www.gowinsemi.com.cn/

高云半導體于 2014 年1月成立，公司以國產現場可編程邏輯器件（FPGA）研發與產業化為核心，旨在推出具有核心自主知識產權的民族品牌FPGA 芯片，提供集設計軟件、IP核、參照設計、開發板、定制服務等一體化完整解決方案的民營高科技公司，打造高端集成電路領域的民族品牌，發展成為中國集成電路行業的骨干企業之一。

公司科研實力雄厚，打造了一支具有極強的自主創新研發能力的科研團隊，建設有上海、濟南兩個產品開發中心和美國硅谷的前沿技術研發中心，研發團隊規模近百人，70％以上具有碩士及以上學歷，核心研發人員平均從事核心FPGA軟件、硬件技術開發超過15年以上，入選省市各類高層次人才計劃十余人。

高云半導體自成立以來，堅持正向設計，歷經三年厲兵秣馬，先后推出了晨熙、小蜜蜂兩個家族、4個系列FPGA產品，涵蓋了11個型號、50多種封裝的芯片，一躍成為國產FPGA領導者。其中國產自主可控關鍵元器件55納米工藝FPGA芯片于2015年獲得廣東省高新技術產品榮譽稱號。

10月26日，廣東高云半導體科技股份有限公司發布了小而專的GW1NS-2 SoC、高精尖的GW3AT高性能FPGA和RISC-V平臺化產品。

上海安路信息科技有限公司

總部：中國上海

官網：http://www.anlogic.com/

上海安路信息科技有限公司成立于2011年，總部位于上海。公司專注于為客戶提供高集成度、高性價比的可編程邏輯器件、可編程系統級芯片、定制化可編程芯片、及相關軟件設計工具和創新系統解決方案。

公司創始人及核心團隊來自海外高級技術管理人才、國外FPGA公司產品開發骨干以及學術界資深FPGA科研人員組成。公司研發團隊70%具有碩士或博士學位，多數畢業于復旦、交大、UCLA、UIUC等國內外高校。核心團隊大都在世界著名的FPGA公司和EDA公司中從事過10年以上高級技術研發和管理工作，參與開發了多款世界領先的FPGA 芯片和最好的EDA 開發系統。

安路科技已量產ELF和EAGLE等系列自主知識產權可編程邏輯器件產品，相比國外同類芯片，提供更多資源、更高性能、更優性價比。公司開發的全流程TD軟件系統和硬件芯片完美地結合在一起，提供了用戶從前端綜合到位流生成和片上調試的完整開發平臺。公司在核心架構、軟件算法和系統集成方面擁有多項技術專利。

安路科技根植中國，面向世界，積極參與國際競爭，努力成為中國可編程邏輯器件產業的主導企業和世界可編程邏輯器件解決方案的主要供應商。

深圳市紫光同創電子有限公司

總部：深圳

官網：http://www.pangomicro.com/

深圳市紫光同創電子有限公司（原深圳市同創國芯電子有限公司）成立于2013年，注冊資本人民幣15000萬元，是上市公司紫光國芯股份有限公司旗下公司。紫光同創總部設在深圳，同時在上海漕河涇新興技術開發區和北京海淀區分別設有分公司。2016年6月，公司由原深圳市同創國芯電子有限公司更名為深圳市紫光同創電子有限公司。

公司核心團隊均來自國外知名FPGA廠商，具有超過10年的FPGA研發和產業化經驗，公司承接多項國家核高基課題任務，擁有近200項FPGA領域自主產權專利。公司主要產品為高性能可重構系統芯片，產品主要應用于各類通信設備、終端設備、工業控制設備。

2017年10月，在IC China 展會上展示了Titan系列高性能FPGA、Logos系列高性價比FPGA、PGX系列高集成度SoPC、產品開發板卡等產品，并展示了可編程網絡處理平臺的國產領先解決方案。

上海遨格芯微電子有限公司(AGM)

總部：中國上海

官網：http://www.alta-gate.com/

AGM在杭州、上海和北京設有辦公室，自公司2012年創辦以來，始終專注于研發自主知識產權的FPGA核心軟件和硬件技術。已經推出三個系列的CPLD、FPGA、Programmable SoC產品進入量產，已得到多家知名廠商認證，在多元化的市場量產出貨，是首家得到國內商用市場認可的國產FPGA供應商，并通過三星供應商認證的產品。

AGM在軟件和電路上擁有自主知識產權，在產品方面目前走的是兼容主流大廠并軟硬件生態不變的路線，在芯片內部接口兼容主流廠商器件，PCB板級可以直接替換并用AGM編譯軟件導入燒寫。

京微雅格（北京）科技有限公司

總部：中國北京

官網：http://www.capital-micro.com/

2003年，京微雅格的前身在美國硅谷創立，2005年公司遷至北京，主要從事FPGA開發，經過10年的技術積累，目前擁有90多項已授權專利，開發出CME C系列、M系列、R系列、P系列產品，并在國內從事FPGA開發的公司中處于領先地位，最新發布的CME-C1的容量達2000萬門級別，采用臺積電的40nm CMOS工藝流片，已經可以在中低端市場局部實現對國外FPGA的替換。

日前，集成電路設計公司京微雅格經營上遭遇困境在行業界引發不小的震動。2014年，這家公司承接了國家科技重大專項FPGA研發與產業化應用，致力于在通信、工業、航天、國防、消費電子等領域廣泛應用的FPGA自主研發。然而有消息稱京微雅格公司負債3000萬，并拖欠員工兩個月的薪資，經歷資金困難，股權重組后，有消息傳出京微雅格已經“倒閉”，雖然京微后來出面澄清公司只是經營遇到了困難并非真的倒閉，但這一傳言還是給整個行業帶來不小的震動。

三、FPGA市場現狀

當今，半導體市場格局已成三足鼎立之勢，FPGA，ASIC和ASSP三分天下。市場統計數據表明，FPGA已經逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統市場，并處于快速增長階段。

在全球市場中，Xilinx(＄233.7100)、Altera兩大公司對FPGA的技術與市場仍然占據絕對壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場份額，專利達6000余項之多，而且這種壟斷仍在加強。同時，美國政府對我國的FPGA產品與技術出口進行苛刻的審核和禁運，使得國家在航天、航空乃至國家安全領域都受到嚴重制約。因此，研發具有自主知識產權的FPGA技術與產品對打破美國企業和政府結合構成的壟斷，及國家利益意義深遠。

全球FPGA市場幾乎被xilinx和Altera壟斷

FPGA國內現狀

目前中國IC廠商在FPGA這個細分領域和國外巨頭的差距遠遠比其他領域要大。

FPGA技術門檻非常高，核心技術只掌握在及其少數的公司手上，而且xilinx和atlera手頭握有6000多項專利，對后進者形成很高的技術壁壘，國內廠商要么和國外巨頭專利交叉授權，要么花錢買專利，但當前我們并沒有多少專利可以和xilinx和altera進行交叉許可，購買難度更大，這不僅僅是資金的問題。從canyon bridge收購lattice被美國否決來看，凡涉及到美國國家安全的高新技術公司，我國是不可能通過收購來獲得的，lattice在行業內充其量是第二團隊尚且如此，業界領先的企業我國更難獲得。

國內FPGA的發展只能靠自主，雖然這個過程可能會很漫長，但除此之外沒有更好的選擇。芯片的自主設計是實現信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關的基礎芯片（手機芯片、PC處理器等）需要實現自制的原因。在目前FPGA的技術和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術強國也沒有掌握到核心技術。

對于中國而言，國家促進集成電路發展已經提升至國家戰略。同時特殊的應用場景（軍工、導彈、航天航空）的要求的FPGA，國外對中國是禁運的，這也從另一方面促成國內FPGA自制的契機。目前，國內生產的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領域。

在民用領域，國內是FPGA需求最大的市場，現在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國，通訊市場華為中興烽火包攬了全國60%以上的量。中國FPGA的發展紅利在于需求市場足夠大，有需求就要有相應產品來支持。這對于國內廠家就是機會，目前，同方國芯片已經和華為中興合作，想實現一部分的國產替代。

最后，從技術角度來說，我們已經不像10年前基本不懂核心技術。國內半導體產業鏈的不斷成熟完善，以及芯片設計能力的不斷加強，我們自己可以自主設計和流片ARM架構的手機CPU（海思麒麟、大唐聯芯），并成功實現商業化，這在10年前都不敢相信。在我們在過去積累的技術沉淀和創新能力，已經使得我們在FPGA的特定應用領域（軍工、通訊）實現一定程度上的自我供給。未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數據中心節中，這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現安全可控。

人才需求

中國每年對于FPGA設計人才的需求缺口巨大，FPGA設計人才的薪水也是行業內最高的。目前，美國已有FPGA人才40多萬，中國臺灣地區也有7萬多，而中國內地僅有1萬左右，可見中國渴望有更多的FPGA人才涌現出來。

四、FPGA的未來

作為一種可編程邏輯器件，FPGA在短短二十多年中從電子設計的外圍器件逐漸演變為數字系統的核心。伴隨半導體工藝技術的進步，FPGA器件的設計技術取得了飛躍發展及突破。通過FPGA器件的發展歷程來看，今后仍將朝下以下幾個方向發展：

· 高密度、高速度、寬頻帶、高保密；

· 低電壓、低功耗、低成本、低價格；

· IP軟/硬核復用、系統集成；

· 動態可重構以及單片集群；

· 緊密結合應用需求，多元化發展。

此外，集成了FPGA 架構、硬核CPU 子系統（ARM/MIPS/MCU）及其他硬核IP 的芯片已經發展到了一個“關鍵點”，它將在今后數十年中得到廣泛應用，為系統設計人員提供更多的選擇。例如，以應用為導向，在受專利保護的FPGA平臺架構上無縫集成特定功能模塊，以形成具備行業競爭優勢（高性價比）的獨特產品。

從技術上來看，GPU、FPGA 和 ASIC 都各有千秋。從實際應用來看，GPU 擁有最完善的生態系統支撐，具有較大的先發優勢。

人工智能在推理環節應用剛起步，云端要比前端設備發展速度更快。下面我們將重點講述一下云端數據中心的應用。在數據中心，FPGA 使用日益廣泛，而 ASIC 路線風險太高，目前僅有谷歌批量部署了 TPU。

FPGA 已在全球七大數據中心實際部署

FPGA 最大的優點是動態可重配、性能功耗比高，非常適合在云端數據中心部署。

當在數據中心部署之后，FPGA 可以根據業務形態來配臵不同的邏輯實現不同的硬件加速功能。以騰訊云為例，當前服務器上的 FPGA 板卡部署的是圖片壓縮邏輯，服務于 QQ 業務；而此時廣告實時預估需要擴容獲得更多的 FPGA 計算資源，通過簡單的 FPGA 重配流程，FPGA 板卡即可以變身成“新”硬件來服務廣告實時預估，非常適合批量部署。

FPGA 的性能功耗比顯著高于 GPU。以普遍使用在服務器中的 FPGA型號 A10GX660 為例，性能/功耗能達到 45GFLOPS/W，而對應的 GPU 型號 M4，性能/功耗能達到29GFLOPS/W。依次測算 FPGA 性能功耗比要高 50%。

近兩年，全球七大超級云計算數據中心包括 IBM、Facebook、微軟、AWS 以及 BAT都采用了 FPGA 服務器。在這方面，中國和美國處以同一起跑線。

大超級數據中心都采用了 FPGA

行業發展趨勢：FPGA 大有可為

比使用現狀更重要的是未來的技術和產業發展趨勢。從行業發展趨勢來看，FPGA 潛力被低估了，未來大有可為。具體如下：

算法正在快速迭代中

人工智能算法正處于快速迭代中。雖然 ASIC 芯片可以獲得最優的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低；但是 AISC 開發風險極大，需要有足夠大的市場來保證成本價格，而且從研發到市場的時間周期很長，不適合例如深度學習 CNN 等算法正在快速迭代的領域。因此，推出 ASIC 芯片風險非常高，且成本太高，只有谷歌等極少數公司敢于嘗試。

更重要的是，當前人工智能算法模型的發展趨勢是從訓練環節向推理環節走，這個過程非常有利于 FPGA 未來的發展。人工智能算法模型從訓練環節走向推理環節并不是簡單搬運過去。訓練出來的算法模型往往規模太大，復雜度太高，無法直接部署實際應用。現在，人工智能算法模型研究的重要趨勢就是將訓練后的模型再進行壓縮，在基本不損失模型精度的情況下，將模型壓縮到原來的幾十分之一，再應用到推理環節。

模型壓縮是從訓練環節走向推理環節的必要過程

以深鑒科技的研究成果為例，公司發布的論文《ESE: Efficient Speech Recognition Engine with Sparse LSTM on FPGA》指出，長短期記憶網絡（LSTM）被廣泛用于語音識別領域。為實現更高的預測精度，機器學習研究者們構建了越來越大的模型。然而這樣的模型十分耗費計算和存儲資源。部署此類笨重的模型會給數據中心帶來很高的功耗，從而帶來很高的總擁有成本（TCO）。

公司提出了一種可以在幾乎沒有預測精度損失的情況下將 LSTM 模型的尺寸壓縮 20 倍（10 倍來自剪枝和 2 倍來自量化）的負載平衡感知剪枝（load-balance-aware pruning）方法。

最后，它們設計了一種可以直接在這種壓縮模型上工作的硬件框架—Efficient Speech Recognition Engine (ESE)。該框架使用了運行頻率為 200MHz 的 Xilinx XCKU060 FPGA，具有以 282 GOPS 的速度直接運行壓縮 LSTM 網絡的性能，相當于在未壓縮 LSTM 網絡上 2.52TOPS 的速度；此外，該框架執行一個用于語音識別任務的全 LSTM 僅需 41W 功耗。在基于 LSTM 的語音基準測試中，ESE 的速度為英特爾 Core i7 5930k CPU 的 43 倍，英偉達 Pascal Titan X GPU 的 3 倍。它的能量效率分別為以上兩種處理器的 40 倍和 11.5 倍。

這篇論文驗證了我們上述觀點：

人工智能算法正處于快速迭代中。公司提出的新算法，可以在幾乎沒有預測精度損失的情況下將 LSTM 模型的尺寸壓縮 20 倍（10 倍來自剪枝和 2 倍來自量化）。在算法能夠帶來數量級的性能提升下，想要將算法固化在 ASIC 中來獲得效率提升的想法是不切實際的。

采用了搭建在 FPGA 上的硬件框架 ESE，獲得了高一個數量級的能量效率提升。ESE 的速度為英特爾 Core i7 5930k CPU 的 43 倍，英偉達 Pascal Titan X GPU 的 3 倍。它的能量效率分別為以上兩種處理器的 40 倍和 11.5 倍。采用 FPGA 搭建硬件框架充分發揮了 FPGA 萬能芯片的特性，性能遠超 GPU 等。

芯片 NRE 費用在指數級上升

集成電路行業的特點是贏家通吃，像 CPU 處理器，只有英特爾一家獨大，門檻極高。而隨著芯片制程工藝的提升，芯片 NRE 費用呈現指數級上升。這樣導致的結果是需要收回成本的芯片銷售規模門檻越來越高。市場上能夠滿足如此大市場規模要求的單品是非常少的。

芯片設計成本隨著制程提升呈指數級上升

而 FPGA 則可以受益于指數級成本上升帶來的規模效應。因為 FPGA 的 NRE 成本可以攤到上千個小項目上，從而讓每個項目只分擔幾十萬美元的 NRE。比如開發一款 14nm 的 FPGA，假設需要一億美元，其性能可以達到 45nm ASIC 的水平。然后有 1000 個有 45nm 工藝要求的項目可以采用該 FPGA 來解決問題，他們支付不了45nm 工藝數千萬美元的 NRE，但是通過分攤的方式每家支付幾十萬美元可以使用14nm 的 FPGA 產品。

因此，隨著芯片 NRE 費用指數級上升，越來越多的 ASIC 芯片將由于達不到規模經濟而被迫放棄，從而轉向直接基于 FPGA 開發設計。而 FPGA 可以受益于指數級成本上升帶來的規模效應。

來源：芯師爺