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)場可編程門陣列 （FPGA）已經(jīng)問世40周年。

在FPGA背后有哪些故事，目前國內(nèi)國外發(fā)展情況如何，國產(chǎn)FPGA能否獨挑大梁？

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體設計的面貌。開發(fā)人員第一次可以設計芯片，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。這種靈活性使新芯片設計的開發(fā)更加迅速，加快了新產(chǎn)品的上市時間，并為ASIC提供了替代方案。

FPGA的發(fā)明對市場的影響是驚人的。FPGA開創(chuàng)了一個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，他認為必須有一種更好、更具成本效益的芯片設計方法，而不是標準的固定功能ASIC器件。FPGA為工程師提供了即時更改芯片設計的自由和靈活性，并能夠在一天內(nèi)開發(fā)和設計定制芯片。FPGA還幫助開創(chuàng)了“無晶圓廠”（Fabless）商業(yè)模式，改變了整個半導體行業(yè)。通過消除對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通過證明公司不需要擁有代工廠來創(chuàng)造突破性的硬件，他們只需要視覺、設計技能和 FPGA，從而幫助加速硬件創(chuàng)新。

自世界上第一個商用FPGA（XC2064）出貨以來的40年里，F(xiàn)PGA在電子領(lǐng)域無處不在，并深深嵌入到日常生活中。如今，自適應計算設備，包括FPGA和自適應SoC以及系統(tǒng)級模塊（SOM），無處不在，從汽車、鐵路車廂和交通信號燈到機器人、無人機、航天器和衛(wèi)星，再到無線網(wǎng)絡、醫(yī)療和測試設備、智能工廠、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個晶體管、64個可配置邏輯塊和58個I/O 塊。相比之下，當今最先進的基于AMD FPGA的器件（如Versal Premium VP1902）具有 1,380億個晶體管、1,850萬個邏輯單元、2,654個I/O模塊、多達6,864個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，F(xiàn)PGA容量已經(jīng)提高了一萬倍以上， 速度提高了一百倍以上，價格和功耗縮小了一千倍以上。

而在應用方面，F(xiàn)PGA正在加大對于邊緣AI領(lǐng)域的探索，更多市場被AI所撬動。

如今，大多數(shù)AI工作負載都在數(shù)據(jù)中心GPU上運行。然而，越來越多的AI處理正在邊緣進行。FPGA 技術(shù)處于各行各業(yè)中注入AI的應用快速增長的最前沿。FPGA和自適應 SoC 提供實時傳感器數(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 時刻”即將到來，這些新的AI模型可以在邊緣設備上運行，無論是在AI PC、車輛、工廠機器人、太空還是任何嵌入式應用程序上。

展望未來，基于FPGA的自適應計算將繼續(xù)推動邊緣AI應用的突破，用于自動駕駛、機器人和工業(yè)自動化、6G 網(wǎng)絡、氣候變化、藥物發(fā)現(xiàn)、科學研究和太空探索。

FPGA國際四雄，不分伯仲

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

第一，AMD（賽靈思Xilinx）作為FPGA的發(fā)明者，其過去25年一直是FPGA市場份額的領(lǐng)導者。在過去的四十年里，已經(jīng)向不同細分市場的 7,000 多家客戶交付了超過 30 億個 FPGA 和自適應 SoC（將 FPGA 架構(gòu)與片上系統(tǒng)和其他處理引擎相結(jié)合的設備）。事實上，在過去 25 年中一直是可編程邏輯市場份額的領(lǐng)導者，AMD相信，憑借產(chǎn)品組合和路線圖的優(yōu)勢，AMD有能力繼續(xù)保持市場領(lǐng)先地位。

過去40年里，AMD創(chuàng)新和不斷發(fā)展的市場需求導致了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 – 率先為無線基礎設施提供嵌入式 RAM 和 DSP。

• 1999 年：推出 Spartan 系列 – 為大批量應用提供傳統(tǒng) ASIC 的高性價比替代方案。

• 2001 年：第一款集成了 SerDes 的 FPGA。

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

• 2012 年：Vivado? Design Suite – 使軟件開發(fā)人員能夠使用 FPGA 設計。

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

• 2019 年：Vitis? 統(tǒng)一軟件平臺 – 提供預優(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，在單芯片上實現(xiàn)首個端到端 AI 加速，并為需要異構(gòu)、低延遲和高能效計算的新一代應用提供支持。

• 2024 年： Spartan UltraScale+ FPGA 系列，進一步豐富了廣泛的成本優(yōu)化型 FPGA 和自適應 SoC 產(chǎn)品組合，為邊緣的 I/O 密集型應用提供經(jīng)濟高效的性能。

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)注汽車領(lǐng)域。智能座艙是最近幾年廠商發(fā)力的重點，但車廠逐漸發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有SoC擴展能力不足，面對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。日前，AMD便針對ADAS傳感器應用和車載信息娛樂系統(tǒng)（ IVI ），推出了 AMD 汽車車規(guī)級（ XA ）系列的最新成員：Artix? UltraScale+? XA AU7P。

不過，相對來說，AMD目前策略還是將賽靈思的FPGA當作整個解決方案的一環(huán)，不會特別強調(diào)FPGA的特殊地位。畢竟FPGA也有自己的專長，而不是一個萬能的通解，AMD更想提供高性能 CPU、GPU、FPGA 和自適應 SoC一整套產(chǎn)品線。

第二，Altera重新變成獨立公司，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)導下，開始了剝離Altera的程序。新任首席執(zhí)行官陳立武（Lip-Bu Tan）上任僅兩周，便已著手開展各項工作。陳立武精心策劃，將Altera 51%的股份以44.6億美元的價格出售給私募股權(quán)巨頭銀湖資本 (Silver Lake Partners)，使得這家FPGA制造商的估值達到87.5億美元。當然，這比英特爾2015年6月收購Altera時支付的167億美元要少得多。

拆分后，Altera一直比較看重Agilex這個產(chǎn)品系列，并第一時間發(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。其通過出色的Hyperflex? FPGA 架構(gòu)、先進的收發(fā)器技術(shù)、更高的集成度和更強大的安全功能，助用戶將項目提升至新的高度。

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

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

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，來提升整個開發(fā)過程。具體而言，Lattice更專注在AI推理（inference），尤其是在邊緣端的推理應用。邊緣端推理通常對功耗有更高的要求，而在性能上則可以做一定的妥協(xié)。關(guān)于機器人和仿真機器人的馬達控制也是Lattice比較傳統(tǒng)的應用。

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

工業(yè)方面，Lattice有很好的預期，其在中國已擁有眾多客戶。由于工業(yè)細分市場之間具有互補性，某些增長速度較慢的市場可以被其他市場所補充。因此，我們將工業(yè)市場視為基線，作為收入增長的最大驅(qū)動力。

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，只不過好像沒有AMD、Altera那樣經(jīng)常被提起。

今年，Microchip也開始發(fā)力向 AMD、Altera 和 Lattice爭奪市場份額。最近，Microchip對其PolarFire 現(xiàn)場可編程邏輯 FPGA 和系統(tǒng)級芯片 (SoC) 器件的價格進行了調(diào)整，通過禁用芯片上的某些模塊(尤其是收發(fā)器)來降低定價，以降低 PolarFire Core 和 PolarFire SoC Core 的測試成本，整體價格也降低了30%。通過“模塊裁剪”策略，降低成本實現(xiàn)精準產(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)并行運行，體現(xiàn)了 Microchip 向開放指令集架構(gòu)（ISA）生態(tài)靠攏的戰(zhàn)略方向。

可以說，Microchip的降價不僅是價格策略，更是爭奪市場份額、生態(tài)主導權(quán)的戰(zhàn)略舉措。FPGA行業(yè)競爭焦點已從晶體管密度轉(zhuǎn)向AI時代的高性價比算力平臺。

國產(chǎn)FPGA，大器晚成

“造芯就是砸錢”，F(xiàn)PGA領(lǐng)域則砸得更狠。國內(nèi)FPGA設計始于20世紀90年代，真正技術(shù)發(fā)展于2000年以后，起步比國外晚十多年。FPGA研發(fā)技術(shù)含量很高，無論從邏輯單元數(shù)量到制程工藝等國內(nèi)外廠商均有差距。

目前國內(nèi)與FPGA相關(guān)研發(fā)企業(yè)數(shù)量超過28家，其中已在A股上市的企業(yè)包括復旦微電子、安路科技、航錦科技，成都華微電子上市“已問詢”，紫光同創(chuàng)在日前啟動上市輔導備案，云半導體、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。

具體來說，復旦微電在國內(nèi)較早推出億門級FPGA，新一代十億門級產(chǎn)品正在研發(fā)中，并且有可編程片上系統(tǒng)的技術(shù)儲備；紫光同創(chuàng)覆蓋高、中、低端等多層次FPGA市場；安路科技在FPGA/集成CPU、FPGA、數(shù)據(jù)處理專用引擎等單芯片產(chǎn)品方面都有儲備，量產(chǎn)供貨產(chǎn)品已覆蓋100K以內(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)過工業(yè)和信息化部電子第五研究所評估認證，通過了自主可控等級評定。

而縱觀安路科技、紫光同創(chuàng)、復旦微電幾家公司關(guān)鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，由于研發(fā)費用占比一度超100%，導致有一段時期凈利為負。不過，得益于政策傾斜和科研項目經(jīng)費補貼，這種窘境一定程度上得以緩解。

通過對比國際尖端產(chǎn)品，核心參數(shù)差距依然較大。不過，國內(nèi)也非常注重軟件生態(tài)的建設。

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

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

又比如，Pango Design Suite EDA 套件是紫光同創(chuàng)基于多年FPGA開發(fā)軟件技術(shù)攻關(guān)與工程實踐經(jīng)驗而研發(fā)的一款擁有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模FPGA開發(fā)軟件，可以支持千萬門級FPGA器件的設計開發(fā)。

總計起來，國產(chǎn)主要存在以下三個發(fā)展瓶頸：

• 專業(yè)壁壘：美國幾乎持有所有FPGA核心專利，不過FPGA商用至今，許多專利開始慢慢到期；

• 人才問題：EDA核心工具專業(yè)人才，特別是布局布線的算法高級人才幾乎沒有；

• 生態(tài)環(huán)境：當前基本都是AMD（Xilinx）、Altera、Lattice的生態(tài)，后進者難以建立生態(tài)優(yōu)勢，IP資源圈、開發(fā)資源圈都得從頭建設。

不過，隨著邊緣AI進一步火熱，加之專利逐漸到期，國內(nèi)FPGA發(fā)展迎來春天。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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