FPGA，老兵不死！

作者：杜芹

幾十年來，摩爾定律為CPU性能的持續(xù)提升提供了可靠的路線圖。然而，隨著行業(yè)達(dá)到傳統(tǒng)半導(dǎo)體尺寸的極限，行業(yè)對(duì)芯片性能和提高效率的需求卻沒有停止，“加速，加速，加速”是當(dāng)今時(shí)代的主旋律。因此，我們看到了現(xiàn)在各種GPU、ASIC、FPGA等加速器的出現(xiàn)。

在這其中，有一名老兵，它就是誕生于1980年的FPGA(可編程邏輯門陣列)，一直在被ASIC替代，卻一直堅(jiān)挺地存在。初期的消費(fèi)電子，如手機(jī)里面都有可能會(huì)用到FPGA芯片作為橋接或特定用途的功能，但是經(jīng)過幾年演變之后這樣的FPGA芯片功能幾乎又會(huì)被ASIC替換。后來隨著消費(fèi)電子設(shè)備中很多新技術(shù)的引入，ASIC的推出速度無法趕上設(shè)計(jì)需求，不少應(yīng)用場(chǎng)景還是回歸到使用FPGA，這就是FPGA的魅力所在。

現(xiàn)在，在數(shù)據(jù)中心、人工智能以及邊緣計(jì)算領(lǐng)域等新的應(yīng)用領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA又開始展現(xiàn)出卓越的實(shí)力。與此同時(shí)，芯片巨頭圍繞FPGA的競(jìng)賽再次開啟。值得一提的是，國(guó)內(nèi)FPGA廠商正在國(guó)產(chǎn)替代的沃土上茁壯成長(zhǎng)。

爭(zhēng)奪“全球最大的FPGA”稱號(hào)

2015年，Intel以167億美元的價(jià)格收購(gòu)了Altera，而AMD則在2020年宣布以近500億美元收購(gòu)賽靈思。隨著FPGA行業(yè)老大和老二被相繼收購(gòu)之后，F(xiàn)PGA更多的從臺(tái)前“埋沒”于芯片巨頭的幕后。

不過，兩家高性能FPGA公司被收購(gòu)，凸顯了FPGA的價(jià)值，F(xiàn)PGA也為兩家貢獻(xiàn)了很大的營(yíng)收。近一年來，英特爾和AMD均憑借FPGA的需求創(chuàng)下不少個(gè)季度銷售額新高。2023年第二季度英特爾財(cái)報(bào)顯示，其可編程解決方案事業(yè)部（PSG）的收入同比增長(zhǎng)35%，連續(xù)三個(gè)季度創(chuàng)下歷史新高。

那么，如今AMD和英特爾用FPGA在做什么？在“爭(zhēng)奪全球最大的FPGA稱號(hào)”。

從2006年到2023年，用于ASIC和SoC仿真和原型設(shè)計(jì)的FPGA容量增長(zhǎng)了56倍，使得基于這些設(shè)備的系統(tǒng)容量在同一時(shí)期增長(zhǎng)了1萬倍以上。FPGA變得越來越大。

圖片來源：AMD

在近日的hotchips 2023上，AMD發(fā)布了最大的FPGA——Versal VP1902 Premium。AMD是小芯片的愛好者，在這款FPGA產(chǎn)品上也是小芯片的集結(jié)者，AMD圍繞四個(gè)超級(jí)邏輯區(qū)域 (SLR) 小芯片構(gòu)建，通過硅中介層以2×2布局連接（如下圖所示），這使其可以變得足夠大。VP1902可支持多達(dá)1850萬個(gè)邏輯單元和600億個(gè)邏輯門。AMD VP1902 SoC 的組裝和封裝技術(shù)源于2011年10月推出的Xilinx Virtex-7 2000T FPGA，當(dāng)時(shí)它只有19.5456萬個(gè)邏輯單元。

AMD的Versal VP1902 Premium（圖源：AMD）

該芯片的一大目標(biāo)應(yīng)用是為更復(fù)雜的SoC芯片進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為了設(shè)計(jì)CPU，必須要FPGA的參與。如今的芯片設(shè)計(jì)動(dòng)輒成百上千億的晶體管，驗(yàn)證越來越難，也越來越貴。雖然像Cadence這樣的EDA公司也提供仿真驗(yàn)證，但他們所提供的是軟件仿真，軟件仿真速度往往受到底層硬件和軟件的限制。AMD提供的這種FPGA仿真是硬件仿真，相比軟件，硬件仿真則可以更快地評(píng)估芯片設(shè)計(jì)。這也是為何FPGA會(huì)越來越大的緣故。軟硬仿真的結(jié)合，對(duì)于當(dāng)今復(fù)雜芯片的設(shè)計(jì)將越來越重要。除了基于FPGA的仿真和企業(yè)原型設(shè)計(jì)之外，VP1902 Premium還瞄準(zhǔn)桌面原型設(shè)計(jì)以及測(cè)試和測(cè)量 (T&M) 設(shè)備等的應(yīng)用。

據(jù)eejournal的報(bào)道，上一個(gè)“最大的FPGA”還是英特爾在2019年12月發(fā)布的Stratix 10 GX，它具有1020萬個(gè)邏輯元件，該FPGA也是小芯片結(jié)構(gòu)一種，英特爾采用EMIB（嵌入式多芯片互連橋）技術(shù)將兩個(gè)大型FPGA芯片組合在一個(gè)封裝中，由433億顆晶體管組成。也就是說，英特爾憑借Stratix 10 GX 保持了“全球最大FPGA”桂冠約3.5年。

而更早之前的最大FPGA是賽靈思（當(dāng)時(shí)還沒被AMD收購(gòu)）在2019年8月發(fā)布的 Xilinx Virtex UltraScale+ VU19P，這是一款16納米的FPGA，采用臺(tái)積電CoWos封裝技術(shù)，擁有350億個(gè)晶體管，在一個(gè)中介層上放置了四個(gè)芯片組成，擁有900萬個(gè)邏輯單元。

其實(shí)，早在Altera和賽靈思還沒有被收購(gòu)時(shí)，圍繞FPGA容量變大的角逐賽就已經(jīng)展開?，F(xiàn)在，比賽的接力棒交給了英特爾和AMD。英特爾近年來在FPGA上的動(dòng)作也頗多，其一直在快速擴(kuò)展最新的Agilex FPGA產(chǎn)品線。據(jù)最新消息，英特爾計(jì)劃在2023年發(fā)布15款FPGA，而截止目前，英特爾才共有11款FPGA。如果按照過往這樣的規(guī)律，估計(jì)用不了多久，可能會(huì)聽到英特爾大FPGA的消息。

FPGA變大已經(jīng)離不開小芯片封裝技術(shù)了。但是，基于小芯片封裝設(shè)計(jì)的FPGA，一大缺點(diǎn)是小芯片間的互聯(lián)。它不僅互聯(lián)成本高，也比片上的互聯(lián)速度慢，AMD已表示正在增強(qiáng)其Vivado ML工具套件的布局布線和分區(qū)功能，以適應(yīng)VP1902 SoC等多層器件。

Forbes的一篇報(bào)道中，英特爾可編程解決方案事業(yè)部（PSG）副總裁兼總經(jīng)理 Deepali Trehan表示：“UCIe對(duì)于我們的下一代FPGA非常重要。”UCIe是英特爾推動(dòng)建立的小芯片互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。

在今年參加2023上海國(guó)際嵌入式展時(shí)，在與FPGA廠商Lattice的交流溝通中，Lattice亞太區(qū)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持總監(jiān)蒲小雙曾告訴筆者：“FPGA要永遠(yuǎn)走在市場(chǎng)前面，客戶才需要你”。觀察近年來FPGA技術(shù)的發(fā)展，其不斷的創(chuàng)新確實(shí)體現(xiàn)了這一理念。盡管小芯片技術(shù)近年在CPU和GPU領(lǐng)域逐漸成熟，但我們不能忽視它在FPGA上的成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這為小芯片在其他領(lǐng)域的成功打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從英特爾和AMD等芯片巨頭的動(dòng)作上來看，F(xiàn)PGA芯片活力無限，而且正在換發(fā)新的生機(jī)。

FPGA：芯片領(lǐng)域的“萬能芯片”

“FPGA芯片具有設(shè)計(jì)靈活、兼容性強(qiáng)、適用性強(qiáng)與并行運(yùn)算等優(yōu)勢(shì)，能夠以較低成本實(shí)現(xiàn)算法的迭代，較好地實(shí)現(xiàn)新場(chǎng)景的運(yùn)算、控制和升級(jí)功能，在芯片領(lǐng)域內(nèi)素有“萬能芯片”之稱?！卑猜房萍伎偨?jīng)理陳利光告訴筆者。

值得一提的是，F(xiàn)PGA的并行處理能力，使它更加適合如今的高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用。其他類型的IC，如MCU、MPU、專用集成電路 (ASIC) 等在部署時(shí)具有固定功能并按順序運(yùn)行，缺乏可編程性可能會(huì)縮短系統(tǒng)部署后的使用壽命。

而且，F(xiàn)PGA可以無縫集成到現(xiàn)有的HPC基礎(chǔ)設(shè)施中，補(bǔ)充傳統(tǒng)的基于CPU和GPU的系統(tǒng)。通過將特定任務(wù)卸載到FPGA，HPC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的性能、更低的功耗并提高效率?，F(xiàn)在大火的DPU前身就是FPGA當(dāng)?shù)溃⑻貭柾瞥龅腎PU也是基于FPGA。

因此，F(xiàn)PGA在眾多新興市場(chǎng)中找到了新的發(fā)展前景，據(jù)京微齊力的介紹，在汽車領(lǐng)域，汽車電子后視鏡、激光雷達(dá)、分布式域控制甚至是ADAS等諸多汽車場(chǎng)景中，都會(huì)有FPGA的身影。在邊緣計(jì)算場(chǎng)景中，隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)的興起，F(xiàn)PGA的靈活性將在加速機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理方面發(fā)揮重要作用。還有一些數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用，像科學(xué)計(jì)算、醫(yī)療等領(lǐng)域，都是FPGA的新機(jī)會(huì)。

但是要充分利用FPGA的潛力，為了支持這些機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理和高性能計(jì)算等復(fù)雜的應(yīng)用，不僅需要EDA軟件的支持，還要不斷地更新和優(yōu)化。如同安路科技總經(jīng)理陳利光所說：“FPGA芯片比較特殊，生產(chǎn)出來的時(shí)候是空白，在使用過程中需要專用EDA軟件配合編程才能實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用。其現(xiàn)場(chǎng)可編程的特性也決定了其研發(fā)過程和方法不同于一般集成電路芯片，F(xiàn)PGA廠商一般都需要提供自主設(shè)計(jì)EDA工具來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)。高效能的EDA工具是FPGA產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，這也是FPGA行業(yè)高壁壘的原因?！?/p>

總之，F(xiàn)PGA正在多個(gè)新興市場(chǎng)中綻放出新生活力，F(xiàn)PGA市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)提高。根據(jù)marketsandmarkets的分析，2023年FPGA市場(chǎng)價(jià)值為97億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到191億美元，2023~2028年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為14.6%。預(yù)計(jì)亞太地區(qū)FPGA的市場(chǎng)將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，主要得益于電信、工業(yè)、汽車、消費(fèi)電子和計(jì)算領(lǐng)域。而從節(jié)點(diǎn)尺寸上來看，2023-2028年內(nèi)20-90nm節(jié)點(diǎn)尺寸將占據(jù)FPGA市場(chǎng)的最高市場(chǎng)份額。這些FPGA已在市場(chǎng)上銷售相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，并且在高帶寬和降低總系統(tǒng)成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，這使得它們適合通用和便攜式應(yīng)用。

看看現(xiàn)在仍然獨(dú)立的、出貨量最大的FPGA廠商Lattice，在過去五年間，股價(jià)已經(jīng)飆升了1285%，從2018年7美元漲到2023年的97美元，足見FPGA在產(chǎn)業(yè)鏈上的重要價(jià)值。

國(guó)產(chǎn)替代助力，中國(guó)FPGA企業(yè)風(fēng)頭正勁

近年來，乘著國(guó)產(chǎn)替代的東風(fēng)，疊加網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)和“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施，國(guó)內(nèi)FPGA芯片市場(chǎng)需求旺盛，國(guó)內(nèi)一眾FPGA企業(yè)如安路科技、京微齊力、紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電子、高云半導(dǎo)體等發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。據(jù)了解，安路的FPGA芯片截至目前，已經(jīng)累計(jì)出貨量超過一億顆，支持客戶超過2000家。

從產(chǎn)品的角度來看，據(jù)京微齊力的分析指出：“雖然目前國(guó)產(chǎn)FPGA廠商的出貨量還是以中小容量為主，但經(jīng)過近幾年的技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)FPGA初創(chuàng)企業(yè)在此領(lǐng)域的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到國(guó)際競(jìng)品的水準(zhǔn)，在軟硬件的協(xié)同發(fā)展上小有所成。”

此外，部分財(cái)力雄厚的企業(yè)，如安路科技、紫光同創(chuàng)等，已經(jīng)著手研發(fā)高性能大容量的FPGA芯片。安路表示，在高端產(chǎn)品供應(yīng)方面，國(guó)內(nèi)水平仍與國(guó)際龍頭存在較大差距，需要在性能指標(biāo)和量產(chǎn)能力上取得進(jìn)一步的突破。受設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)制造能力、封測(cè)工藝、IP資源等因素影響，中國(guó)FPGA芯片企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力亟待提升。

在市場(chǎng)拓展的角度，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，沒有所謂的國(guó)產(chǎn)替代，還是要各憑本事。像京微齊力這樣的FPGA廠商從消費(fèi)電子市場(chǎng)開始切入，逐漸找尋到了一些ASIC不容易替代的場(chǎng)景。值得關(guān)注的是，國(guó)內(nèi)的小容量FPGA產(chǎn)品還有一些自己對(duì)行業(yè)的理解，做了一些技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)產(chǎn)思考進(jìn)去，摸準(zhǔn)了一些客戶的需求，幫助用戶提升了價(jià)值。所以，國(guó)產(chǎn)廠商在消費(fèi)類場(chǎng)景中也開始越來越多的選用本土FPGA產(chǎn)品，逐漸形成了一定的產(chǎn)值。

2023年下游整體市場(chǎng)需求疲軟，國(guó)內(nèi)FPGA廠商或多或少有所感受。對(duì)于下行周期的策略，安路科技總經(jīng)理陳利光表示，整體策略來講，我們采取的是夯實(shí)底座基礎(chǔ)，持續(xù)精進(jìn)，秉持“堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，服務(wù)更多客戶”的核心理念。首先，繼續(xù)加大先進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)一步豐富FPGA/FPSoC芯片產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)，推出優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，完善產(chǎn)品線布局，協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新增效，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)可靠的產(chǎn)品落地，來滿足客戶多樣化的需求。其次，加大新產(chǎn)品推廣和產(chǎn)品導(dǎo)入力度，通過創(chuàng)新IP和解決方案抓住更多新產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，協(xié)助客戶做產(chǎn)品升級(jí)迭代。此外，深耕存量市場(chǎng)，鞏固現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)不斷探索新興市場(chǎng)，布局新賽道，希望通過積極的內(nèi)外兼修，穿越周期，爭(zhēng)取在市場(chǎng)回暖之時(shí)，能更好地把握潛在機(jī)會(huì)，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

京微齊力表示，國(guó)內(nèi)的FPGA公司想要真正在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，必須要在新技術(shù)持續(xù)發(fā)展的市場(chǎng)領(lǐng)域中扎根做實(shí)，例如通信、電力、工業(yè)伺服、工業(yè)相機(jī)、安防視頻等行業(yè)。因此，隨著22nm新產(chǎn)品的推出，京微齊力正在向工業(yè)、安防、視頻等領(lǐng)域奮進(jìn)。

如同其他類型的芯片賽道，F(xiàn)PGA的內(nèi)卷和同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象也是存在的，為了避免同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)的FPGA廠商也有意在差異化上投入更多心力。

異構(gòu)路線已成為部分廠商的主要戰(zhàn)略方向之一。如京微齊力所言，現(xiàn)代的FPGA不僅僅一味的關(guān)注容量和工藝的變化，而是更加強(qiáng)調(diào)不同計(jì)算單元的融合，如FPGA與CPU、MCU、Memory、ASIC和AI等的結(jié)合，形成系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品，確保高性能、高帶寬、高可靠性、低功耗和低時(shí)延。京微齊力指出，這也是賽靈思大廠一般會(huì)在FinFET先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上的做法，只不過，像京微齊力這樣的廠商目前是在合適的工藝節(jié)點(diǎn)如22納米的維度上集成異構(gòu)的元素進(jìn)行創(chuàng)新。這會(huì)比早期賽靈思28nm的產(chǎn)品多一些功能差異化的地方。

但是這種異構(gòu)的產(chǎn)品在推廣上不是易事，首先，客戶的接受度是一個(gè)核心問題。有些客戶可能并不需要如此復(fù)雜的芯片結(jié)構(gòu)，他們只期望替代或優(yōu)化FPGA的部分即可。這種情況要求FPGA廠商努力開辟新市場(chǎng)或推動(dòng)客戶接納這種創(chuàng)新的使用模型。其次，伴隨這種新型的設(shè)計(jì)，還會(huì)帶來巨大的軟件開發(fā)工作量。應(yīng)用層的代碼需要大量調(diào)整和優(yōu)化，再加上后續(xù)的軟件調(diào)試，從而導(dǎo)致design-in的周期變得更長(zhǎng)。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要FPGA廠商與客戶緊密合作，共同成長(zhǎng)和探索，以確保異構(gòu)產(chǎn)品能夠成功創(chuàng)新并真正落地。

國(guó)內(nèi)FPGA企業(yè)之所以能快速發(fā)展，除了技術(shù)創(chuàng)新外，其接近市場(chǎng)、直接了解并滿足本土客戶需求也是一大優(yōu)勢(shì)。以京微齊力為例，其近期研發(fā)的小容量FPGA+CPU+AI智能加速芯片就是與工程師和客戶共同探討而來。這顆“聊出來”的產(chǎn)品不僅僅滿足了客戶的算力需求，還整合了FPGA的特性，進(jìn)一步展現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)FPGA的價(jià)值和生存空間。這也從側(cè)面反映出，國(guó)產(chǎn)FPGA芯片企業(yè)的發(fā)展，需要優(yōu)質(zhì)合作伙伴的一起合作、推廣。

投資人眼中的FPGA 賽道

近年來，F(xiàn)PGA創(chuàng)業(yè)的熱潮似乎有所退卻，相關(guān)企業(yè)的融資事件也并不是很多，投資金額也參差不齊。例如，F(xiàn)PGA芯片公司芯璐科技2023年6月份完成3000多萬的種子輪融資；中科億海微2023年1月獲B+輪融資，用于支持14nm工藝億門級(jí)新型異構(gòu)芯片設(shè)計(jì)；2022年8月，異格技術(shù)完成2.86億元融資，聚焦國(guó)產(chǎn)高端FPGA芯片的研發(fā)與設(shè)計(jì)；京微齊力2022年6月完成1個(gè)多億元的融資；菲數(shù)科技于2020年7月獲合肥創(chuàng)投2000萬元新一輪融資。

那么投資者是如何看待FPGA賽道的？

據(jù)云岫資本趙占祥告訴筆者，F(xiàn)PGA其實(shí)是介于大芯片和模擬芯片的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，屬于先進(jìn)制程。但有所區(qū)別的是，F(xiàn)PGA的市場(chǎng)大部分是工業(yè)級(jí)和企業(yè)級(jí)的市場(chǎng)，消費(fèi)類的應(yīng)用不多。而且FPGA市場(chǎng)得特點(diǎn)是非常分散，它不像CPU、GPU這類芯片一樣會(huì)有非常大的單一市場(chǎng)。這樣的好處是它的營(yíng)收相對(duì)較穩(wěn)定，不易受到某些特定行業(yè)的沖擊。

不利的一面是，對(duì)于初創(chuàng)公司而言，起步較難，需要有很多的產(chǎn)品線布局，包括覆蓋大、中、小不同容量來滿足不同領(lǐng)域的需求，還要有IP積累和EDA軟件的支持，前期積累較難。而且工業(yè)和企業(yè)級(jí)的客戶對(duì)于產(chǎn)品要求不僅要性能好，可靠性的要求也非常高。

在談到“國(guó)內(nèi)還能跑出幾家FPGA上市企業(yè)？哪些類型的公司會(huì)比較有機(jī)會(huì)？”時(shí)，趙占祥表示，對(duì)于國(guó)內(nèi)FPGA廠商而言，市場(chǎng)發(fā)展空間很大，因?yàn)檎麄€(gè)FPGA市場(chǎng)90%以上還是國(guó)外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。我們比較看好已經(jīng)在國(guó)內(nèi)有著5年以上積累的初創(chuàng)公司，他們不僅有著市場(chǎng)積累，也有穩(wěn)定的營(yíng)收，乘著國(guó)產(chǎn)替代的機(jī)會(huì)，這些FPGA企業(yè)正處于發(fā)展的快車道中。時(shí)間給到了，上市的機(jī)會(huì)很大。

結(jié)論

FPGA，這位老兵，確實(shí)不會(huì)輕易“退休”。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)，我們有理由相信，F(xiàn)PGA仍將在未來的技術(shù)領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮其不可替代的角色。

在國(guó)產(chǎn)替代浪潮下，中國(guó)FPGA企業(yè)正逢其時(shí)。相信隨著FPGA迸發(fā)出更加旺盛的生命力，我們期待，中國(guó)FPGA企業(yè)將在未來的高性能領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。