芯片大潮中，細分市場需求各異，F(xiàn)PGA以半定制化的獨特屬性占有一席之地。而新市場的涌現(xiàn)，頭部玩家的布局，在國產(chǎn)FPGA廠商打開增量空間的同時，也并發(fā)出高技術(shù)壁壘。

FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA 賽道空間廣闊，在5G和AI領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用

FPGA主要應(yīng)用在AI、自動駕駛、 5G通信、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心5個領(lǐng)域。FPGA具有可重構(gòu)、可定制的優(yōu)勢，成本高于完全定制化的 ASIC，但比通用型產(chǎn)品擁有更大的并行度。

在?5G 領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 憑借可編程的核心特性，與5G無線網(wǎng)絡(luò)對靈活性、性價比和智能化的需求不謀而合。在需要隨時升級的很多通信業(yè)務(wù)應(yīng)用場景中，與FPGA相比，ASIC的靈活性不足，無法跟上算法的迭代更新，因此 FPGA 是一個更好的選擇。

在人工智能領(lǐng)域，規(guī)模化落地目前仍存在許多芯片層面的問題。AI的基礎(chǔ)硬件需要滿足低延遲、高性能、高可靠性、高性價比等要求，這些剛好是FPGA能夠充分滿足的。同時，市場有大量的“訓練”需求和“推斷”（包括數(shù)據(jù)中心和邊緣端）需求?；?CPU 的傳統(tǒng)計算架構(gòu)，無法充分滿足人工智能高性能并行計算的需求；而作為低功耗異構(gòu)芯片，F(xiàn)PGA 開發(fā)周期快、編程靈活，從而驅(qū)動人工智能解決斱案正從軟件演進轉(zhuǎn)向軟件 + 芯片的迭代。

FPGA 芯片在矩陣運算、圖像處理、機器學習、非對稱加密、搜索排序等人工智能領(lǐng)域有著很廣闊的應(yīng)用前景，已與GPU及ASIC等芯片一起成為人工智能處理芯片的重要選擇之一。在云端，F(xiàn)PGA流水線并行結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)更高的并發(fā)處理；在端側(cè)，當推斷決策任務(wù)轉(zhuǎn)至智能終端，中低密度 FPGA 大有用武之地。因此，Semico Research預(yù)測，F(xiàn)PGA在人工智能領(lǐng)域的市場規(guī)模2023年有望達52億美元，五年復合增速38.4％。

可重新“編程” 的高性能計算芯片?——? FPGA

為解決能耗限制、處理器核心無法同時運作、以及性能提升有限的問題，業(yè)界提出了“定制計算”的方案，也就是為特定的工作場景和負載優(yōu)化硬件設(shè)計。FPGA（“現(xiàn)場可編程邏輯陣列”）應(yīng)運而生，人們在可編程的芯片 FPGA 上把硬件設(shè)計重復燒寫進它的可編程存儲器里，從而使 FPGA芯片可以執(zhí)行不同的硬件設(shè)計和功能。

受益于與眾不同的架構(gòu)，F(xiàn)PGA的可編程屬性使其相比其他處理器，在算力、成本、功耗之間更能取得平衡。FPGA的優(yōu)勢：

• 可編程靈活性高：FPGA屬于半定制電路，理論上，如果 FPGA提供的門電路規(guī)模足夠大，通過編程可以實現(xiàn)任意 ASIC 和 DSP 的邏輯功能。

• 開發(fā)周期短：FPGA無需布線、掩模和定制流片等，芯片開發(fā)流程大幅簡化，因此普遍被認為是構(gòu)建原型和開發(fā)設(shè)計的最快推進路徑之一。傳統(tǒng)的ASIC和 SoC設(shè)計周期平均是14到24個月，用FPGA進行開發(fā)時間可以平均降低 55%。

• 并行計算效率高：FPGA屬于并行計算，一次可執(zhí)行多個指令的算法。雖然普遍主頻較低，但對部分特殊的任務(wù)，大量相對低速并行的單元比起少量高效單元的效率更高。

當然，FPGA 也有很多限制因素：

• 成本方面，實現(xiàn)同樣邏輯的性能， FPGA的成本是 ASIC 芯片成本的 10倍以上；

• 功耗方面，F(xiàn)PGA芯片的面積比ASIC更大，功耗也高于ASIC；

• 編程設(shè)計，需要采用專用工具進行 HDL編譯，再燒錄至 FPGA中，技術(shù)門檻要求非常高。

隨著FPGA生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和完善、 ASIC芯片的逐漸成熟，未來異構(gòu)計算領(lǐng)域會呈現(xiàn)GPU、 FPGA、ASIC芯片三分天下的局面。

FPGA的特點決定其應(yīng)用方向。采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片；FPGA可做其它全定制或半定制 ASIC電路的中試樣片；FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／O引腳；FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一；FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

正因為這些特點，F(xiàn)PGA 主要應(yīng)用于：

• 通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計：用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換；

• 數(shù)字信號處理/數(shù)學計算方向：例如金融、醫(yī)療數(shù)據(jù)分析

• SOPC：利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，設(shè)計者在上面進行嵌入式軟件開發(fā)；

• 深度學習方向：在FPGA上實現(xiàn)異構(gòu)計算和并行計算，推動其在深度學習中的應(yīng)用。

FPGA 全球市場“兩大兩小”格局

隨著5G、AI等技術(shù)的提升，全球FPGA市場規(guī)模穩(wěn)步增長，2020年全球FPGA銷售額已超過60億美元，F(xiàn)rost&Sullivan預(yù)計，全球FPGA市場規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復合增長率約為16.4%。

FPGA 市場前景誘人，行業(yè)技術(shù)壁壘較高，呈現(xiàn)“兩大兩小”的市場格局，即賽靈思、英特爾、Lattice（萊迪思）、Microchip （微芯科技）。在此格局下，F(xiàn)PGA企業(yè)市場份額也高度集中，賽靈思、英特爾兩大公司對 FPGA 的技術(shù)與市場占據(jù)絕對壟斷地位。兩家公司占有將近 72%市場份額，專利高達 6000余項之多，而這種壟斷仍在加劇。

賽靈思（Xilinx）是 FPGA、可編程 SoC 及 ACAP 的發(fā)明者，為業(yè)界提供了最靈活的處理器技術(shù)，通過靈活應(yīng)變的計算技術(shù)實現(xiàn)行業(yè)的快速創(chuàng)新。目前賽靈思占據(jù)了 FPGA 產(chǎn)品42%以上的全球需求。

賽靈思在AI時代的戰(zhàn)略布局是以數(shù)據(jù)中心優(yōu)先，加速主流市場拓展，推出全新一代AI芯片架構(gòu)ACAP。賽靈思通過對加強與關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心客戶、生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴及軟件應(yīng)用開發(fā)商的合作力度，進一步推動計算加速、計算存儲及網(wǎng)絡(luò)加速領(lǐng)域的部署；不斷推動與汽車、無線基礎(chǔ)設(shè)施、有線通信、音視頻與廣播、航空航天、工業(yè)、醫(yī)療、測試測量及消費類電子等領(lǐng)域客戶的合作和創(chuàng)新。而?ACAP 這一高度集成的多核異構(gòu)計算平臺可實現(xiàn) CPU 與 GPU無法企及的性能水平和單位功耗性能。

特別值得重點強調(diào)的是，ACAP是業(yè)界首款自適應(yīng)計算加速平臺，2018年10月由賽靈思推出，全稱為“Versal ACAP”，是完全支持軟件編程的異構(gòu)計算平臺，將標量引擎、自適應(yīng)引擎和智能引擎相結(jié)合，適用于 AI推斷、機器視覺、數(shù)據(jù)庫、計算存儲及網(wǎng)絡(luò)加速等應(yīng)用場景。

Versal ACAP 的優(yōu)勢在于：1.?軟件可編程性：能通過軟件抽象工具鏈快速 開發(fā)優(yōu)化應(yīng)用 ；2.?異構(gòu)加速：速度超過當前最高速的 FPGA20 倍、比當今最快的 CPU 快100倍。3. 動態(tài)自適應(yīng)重配置：可重配置硬件，與以毫秒為單位的比特流進行動態(tài)倒換，讓硬件具有軟件的靈活性。

英特爾 FPGA?是2015年英特爾收購 Altera 而來?？萍计髽I(yè)大吃小的兼并之舉，也發(fā)生在賽靈思身上，AMD以350億美元收購賽靈思正在等各國監(jiān)管部門批準，或于今年年底前完成這一收購交易。

作為CPU領(lǐng)域的前二廠商，英特爾與AMD這對“老對手”在處理器和超算領(lǐng)域的競爭有來有回，但在 FPGA 布局上思路一致。在云計算和AI導致的算力需求爆發(fā)和混合計算架構(gòu)迅速發(fā)展的情況下，CPU大廠收購FPGA廠商可直接補強其FPGA支撐的并行和可編程計算技術(shù)，使他們在新興異構(gòu)計算架構(gòu)時代保持領(lǐng)先。

英特爾在收購了Altera之后，成立了新的業(yè)務(wù)部門 — 可編程解決方案事業(yè)部（PSG）。除了加強現(xiàn)有的 FPGA 業(yè)務(wù)，可編程解決方案事業(yè)部還將與英特爾數(shù)據(jù)中心事業(yè)部和物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部密切合作，推出下一代高度自定義集成產(chǎn)品和解決方案。

英特爾PSG近兩年成績傲人。2019年，在英特爾10nm? Agilex FPGA系列推動下，Design-Win數(shù)量創(chuàng)下新紀錄；同期，英特爾拓展了可編程加速卡（英特爾?PAC）和英特爾 ?Stratix?10 FPGA系列，這兩個系列可與英特爾至強處理器，英特爾超級通道互聯(lián)，英特爾傲騰技術(shù)和加速軟件棧無縫運行，擴展了 FPGA加速平臺產(chǎn)品組合；作為英特爾的一個重要業(yè)務(wù)面，PSG部門正在加速英特爾平臺的關(guān)鍵運算，并提供高度定制化的軟硬件解決方案，從根本上支持英特爾以數(shù)據(jù)為中心的未來愿景。

萊迪思（Lattice）是系統(tǒng)設(shè)計全面解決方案的提供商。成立于 1983年的萊迪思半導體，可提供業(yè)界最廣范圍的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、可編程邏輯器件（ PLD）及其相關(guān)軟件，包括現(xiàn)場可編程系統(tǒng)芯片 （FPSC）、復雜的可編程邏輯器件（ CPLD），可編程混合信號產(chǎn)品（ ispPAC?）和可編程數(shù)字互連器件（ispGDX?）。萊迪思為全球消費、通信、工業(yè)、計算和汽車市場提供低功耗 FPGA、視頻 ASSP 和IP產(chǎn)品。萊迠思的營收 70% 以上來自亞洲地區(qū)，中國市場占據(jù)極為重要的權(quán)重。

美高森美（Microsemi）是 Microchip Technology Inc. 的全資子公司，是美國國防軍工 FPGA 器件頂級供應(yīng)商，為通信、國防和安全、航空航天和工業(yè)市場提供全面的半導體和系統(tǒng)解決方案組合。美高森美在業(yè)內(nèi)久負盛名，每年都會出現(xiàn)在美國國防預(yù)算名單中，在高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域有出眾且獨特的芯片制造工藝技術(shù)，以一己之力承包美國航空航天市場的 FPGA電子器件，軍工方面與賽靈思和英特爾 PSG 競爭。

國產(chǎn)替代化：市場空間激勵跨越技術(shù)門檻

根據(jù) Frost&Sullivan 統(tǒng)計，中國 FPGA 市場從 2016 年約 65.5 億元增長至 2020 年約 150.3 億元，年均復合增長率 約為 23.1%，且預(yù)計到 2025 年中國 FPGA 市場規(guī)模將達到約 332.2 億元。根據(jù) Frost&Sullivan 統(tǒng)計，從出貨量來看，2019 年中國市場排名前三的供應(yīng)商分別為 Xilinx、Altera 和 Lattice，這三者共占據(jù) 85%的市場份額。隨著 FPGA 市場增量不斷放大，將激勵國產(chǎn) FPGA 廠商跨越技術(shù)門檻，深度受益于國產(chǎn)化替代浪潮的持續(xù)推進。

近年，由于云計算、高性能計算和人工智能的全球繁榮，中國市場也如火如荼，不斷激發(fā)和催化 FPGA 新的市場增量空間。

FPGA的靈活性使芯片設(shè)計人員可通過硬件描述語言，用軟件的形式將各種數(shù)理邏輯下載到FPGA 里，從而重新定義芯片功能，尤其是在技術(shù)標準尚未成熟或發(fā)展更迭速度快的行業(yè)領(lǐng)域，只需要幾百毫秒即可更新芯片的邏輯功能的 FPGA 可有效幫助企業(yè)降低投資風險及沉沒成本，是一種兼具功能性和經(jīng)濟效益的選擇，這是其他數(shù)字芯片所無法實現(xiàn)的。

FPGA是高技術(shù)門檻的芯片細分領(lǐng)域，不僅開發(fā)難度大，需要最先進的制造封測工藝，國內(nèi)制程與國外相差懸殊，且 IP復雜繁多。行業(yè)前二就是依靠高技術(shù)壁壘長期壟斷超過70%的市場份額。

FPGA的商業(yè)模式也在悄然演變。過去傳統(tǒng)的FPGA業(yè)務(wù)模型里，F(xiàn)PGA廠商通常只負責賣給客戶FPGA芯片和FPGA的開發(fā)工具這兩樣東西，主要的開發(fā)過程往往由客戶完成。如今，F(xiàn)PGA廠商更傾向于提供給客戶一個完整的系統(tǒng)級解決方案，兩大FPGA廠商賽靈思和英特爾目前紛紛推出的各類FPGA加速卡和完整軟件開發(fā)環(huán)境的全棧式解決方案。這些方案針對不同應(yīng)用場景下的用戶需求，通過提供這些完整的開發(fā)環(huán)境，大大簡化了FPGA的開發(fā)難度，使得軟件開發(fā)人員能夠在短時間內(nèi)完成算法模型的FPGA實現(xiàn)。

縱觀行業(yè)格局，全球FPGA行業(yè)的主要市場份額常年被賽靈思和英特爾“兩大”公司牢牢掌握，而他們逐漸構(gòu)建起一道由上萬件核心技術(shù)專利組成的“護城河”，而這條護城河也不斷推高新進入者的技術(shù)門檻，成功阻截了新興新興FPGA公司的發(fā)展腳步。而 Lattice 和 Microsemi 這“兩小”也只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等利基市場，在特殊應(yīng)用領(lǐng)域求得生存空間。

盡管市場被國外企業(yè)高度壟斷，中國FPGA的市場規(guī)模及前景也不容忽視。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，中國FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2020年的約150.3億元，年均復合增長率約為23.1%。隨著5G、AI以及數(shù)據(jù)中心等市場的發(fā)展，國產(chǎn)替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望持續(xù)擴大。預(yù)計到2025年，中國FPGA市場規(guī)模將達到約332.2億元，增速遠高于全球市場。

伴隨國家政策扶持，中國應(yīng)用領(lǐng)域需求爆發(fā)、新興基礎(chǔ)設(shè)施全面鋪開，以及國內(nèi)研發(fā)人才競爭力的增強，本土企業(yè)在FPGA這個小眾技術(shù)路線上也有很大的發(fā)揮空間。有業(yè)內(nèi)人士表示，在這輪FPGA市場的變革當中，國產(chǎn)獨立FPGA企業(yè)將承擔更多國產(chǎn)化需求角色。與此同時，國產(chǎn)獨立FPGA企業(yè)也將更多的助力遍地開花的國產(chǎn)芯片企業(yè)的崛起，并在差異化應(yīng)用場景滿足各類需求。

復旦微是國內(nèi)FPGA領(lǐng)域技術(shù)較為領(lǐng)先的公司之一，目前已可提供千萬門級 FPGA芯片、億門級 FPGA芯片以及嵌入式可編程器件（PSoC）共三個系列的產(chǎn)品。復旦微的億門級 FPGA芯片，基于 28nm工藝制程，采用業(yè)內(nèi)先進的 CMOS 工藝，是國內(nèi)最早研制成功的億門級 FPGA芯片，目前已實現(xiàn)量產(chǎn)銷售。該系列產(chǎn)品集成了SerDes、DDR3等高速模塊，是5G通訊、人工智 能、自勱駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心等場景下的核心器件。

紫光系紫光國微和紫光同創(chuàng)同是百花齊放的國產(chǎn)FPGA龍頭廠商。兩家公司聯(lián)營的拳頭產(chǎn)品Titan PGT30G已量產(chǎn)，采用 40nm?制程工藝，是國內(nèi)少有的千萬門級 FPGA。

除復旦微、紫光同創(chuàng)登錄科創(chuàng)板之外，安路科技、高云半導體、京微齊力等本土FPGA廠商也紛紛于近日登陸科創(chuàng)板，公司動態(tài)和產(chǎn)品進展都呈現(xiàn)出勃勃生機。但景氣背后，從技術(shù)層面來看，獨立的國產(chǎn)FPGA和國外巨頭差距仍舊較大。

小結(jié)

在算力就是生產(chǎn)力的當今時代，算力的變革往往會催生新的計算形式，并驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈的整合波動整合。

在下一波計算浪潮中，預(yù)計業(yè)界將繼續(xù)采用FPGA來支持更多應(yīng)用和進一步的發(fā)展，諸如智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛、邊緣計算、以及用于可編程無線電和前傳融合的5G基礎(chǔ)設(shè)施等等。而技術(shù)的發(fā)展沒有捷徑，尤其在專利壁壘極高的FPGA產(chǎn)業(yè)，不論是芯片架構(gòu)、關(guān)鍵IP、高速接口等芯片硬件設(shè)計，還是FPGA設(shè)計工具和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，都需要在正確的發(fā)展路徑上不斷積累和加速，才可能有朝一日與主流舞臺上的玩家們同場競技。