「萬能晶片」FPGA發展的三個紀元

• 2020 年 3 月 12 日
• 筆記

隨著5G時代的大踏步到來，雲計算、人工智慧、工業4.0等技術再次掀起了 「新浪潮」，也為晶片業的發展帶來了巨大利好，在通訊、醫療、工控和安防等領域佔有一席之地的FPGA，也憑藉著性能、成本、靈活性、擴展性、開發周期短、長期維護等優勢進一步開疆擴土。

一、FPGA是什麼？

FPGA（Field Programmable Gate Array）——現場可編程門陣列，是指一種通過軟體手段更改、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積體電路。顧名思義，其內部的硬體資源都是一些呈陣列排列的、功能可配置的基本邏輯單元，以及連接方式可配置的硬體連線。簡單來說就是一個可以通過編程來改變內部結構的晶片。

圖為ALTERA MAX7000s系列FPGA晶片開發板

縱觀數字積體電路的發展歷史，經歷了從電子管、電晶體、小規模積體電路到大規模以及超大規模積體電路等不同的階段。發展到現在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。

存儲器保存隨機資訊（電子數據表或資料庫的內容）；處理器執行軟體指令，以便完成各種任務（運行數據處理程式或各類影片遊戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通訊和系統必須執行的其他所有功能）。邏輯器件分成兩類：1）固定的或訂製的（ASIC）；2）可編程的或可變的（FPGA屬於其中之一）。

如果說ASIC是一個雕塑，在成品完成後，就很難再對其做其他的改變。那麼FPGA就像橡皮泥，成品出來後如果想改變主意，可以重新再捏，這就是為什麼被稱為可編程。

最初FPGA只是用於膠合邏輯(Glue Logic)，用來連接各個專用晶片，只是整個電子系統里的一個小配角。而隨著積體電路製程進步，FPGA的規模不斷的擴大並集成了越來越多的專用電路。隨著SoC-FPGA的發布，在單個FPGA晶片中實現一個完整電子系統已經成為一種非常現實的方案。由此。FPGA也真正地從配角變成了主角。

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。據Semico統計，FPGA市場正在逐年增長，而複合年均增長率高達38.4%，至2023年將具有55億-60億美元的規模。市場統計數據表明，FPGA已經逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統市場，並處於快速增長階段。

Achronix產品規劃及業務拓展副總裁Manoj Roge 表示，「FPGA能給大家帶來諸多興奮點，其原因有多個。第一點就是數據中心中的關鍵工作負載正在以快速的、全新的節奏在改變，諸如機器學習等新的功能正在加入其中。每個人都在期盼著指數級的功耗降低和性價比提升，這是因為你不能僅僅靠部署越來越多的CPU來擴展數據中心的規模，我認為現在的業界共識是你需要異構的加速器。FPGA是一個選項，為了讓你的數據中心在未來不過時，通過部署FPGA技術可帶來多種優點。」

「許多人將FPGA描述為『動態的ASIC』，而我們更願意稱其為『動態虛擬ASIC』，這是因為它們通常表現為帶有可編程虛擬指令集的、一定數量的CPU，這些也是FPGA的關鍵功能。無論何時你有需要經常改動的工作負載，同時它們有要求低延遲和並行的計算，那麼FPGA就是你應該考慮的計算平台。」

二、FPGA的三個紀元

近40年的FPGA的發展史，就是一部電子行業設計工具與設計方法不斷變遷的歷史。幾乎每10年過去以後，FPGA都會以全新的面目出現在工程師們的面前。我們也將以Xilinx和Altera兩位巨頭的成長為主線一窺FPGA發展的三個紀元。

FPGA 1.0（上世紀80年代到90年代中期）

從上世紀80年代到90年代中期的FPGA 1.0階段主要是膠合邏輯單元，這個時代已有多種不同結構的可編程邏輯（PLD）被工業界採用，包括PAL（Programmable Array Logic可編程邏輯陣列）、EPLD( Erasable Programmable Logic Device 可擦除可編輯邏輯器件)以及在此基礎上發展起來的CPLD（Complex Programmable Logic Device複雜可編程邏輯器件）等。，而客戶當時常常把它們用作連接在一起的邏輯單元，或者一些可編程的I/O器件，大致說來其市場總需求量在10-20億美元之間。

此時的可編程邏輯器件能實現編解碼、地址轉換、狀態機等簡單的邏輯功能，從而實現多個通用或專用晶片之間的「膠合」。當時雖然可編程邏輯器件被視為小規模/中規模集成膠合邏輯的替代選擇並被逐步接受，但對於大多數人來說仍然是陌生和具有風險的。

這個時期積體電路製程也有了的突破，可編程邏輯器件的規模可以不斷擴大，也催生了CPLD和FPGA兩大流派。CPLD依靠複雜的邏輯塊來實現高密度的組合邏輯，而FPGA則依靠大量而小型化的查找表（LUT look up table）配合觸發器來實現組合和時序邏輯功能。前者更受喜歡高邏輯密度的工程師青睞，因為更多的邏輯可以帶來更豐富的功能，後者則仰仗觸發器數量的優勢博得設計人員的歡心。

但隨著器件複雜程度的增加，人們越來越難以在很低的抽象層級上完成過於複雜的設計。硬體描述語言（HDL）的出現給了設計者和使用者更靈活的選擇，可以不再關注底層的細節。這種方法得到的電路直觀上更適合在有大量暫存器的FPGA體系結構中實現，FPGA也順理成章的成為了更多人的選擇。

Xilinx是全球FPGA的主要供應商之一，也是該領域的開拓者之一，其於 1984 年發明的世界首款 FPGA顛覆了半導體世界，創立了Fabless（無晶圓廠）的半導體模式。那個時候還不叫 FPGA，直到 1988 年 Actel 才讓這個詞流行起來。接下來的 30 年裡，這種名為 FPGA 的器件，在容量上提升了一萬多倍，速度提升了一百倍，每單位功能的成本和能耗降低了一萬多倍。

首款 FPGA，即Xilinx XC2064，只包含 64 個邏輯模組，每個模組含有兩個 3 輸入查找表 (LUT) 和一個暫存器。按照現在的計算，該器件有 64 個邏輯單元不足 1000 個邏輯門。儘管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當時的微處理器還要大。1991年，他們推出了XC4000系列產品，這是全球第一款被廣泛使用的FPGA，這系列產品是Xilinx 九十年代的主要收入來源。

Xilinx的成功激勵了Altera產品的推出，Altera是世界上「可編程晶片系統」（SOPC）解決方案倡導者。1992年，Altera推出了其第一款FPGA——FLEX®8000，其後幾年Altera又分別推出了帶有集成鎖相環（PLL）的FPGA——FLEX 10k®，以及帶有嵌入式模組RAM的FPGA——FLEX 10k。FLEX 10k的推出表明了Altera的思維已經非常清晰，大規模的fpga是將來的王道！而且，高速的嵌入式塊RAM是一個開創新的思維。當時，Xilinx憑藉分散式RAM以及內置三態的結構，有橫掃千軍之勢。但是Flex10K的出現，有效提升了Altera的FPGA產品的競爭力。在RAM需求應用不斷上升的市場中。Altera迎來了市場的春天。

此時的Lattice雖然是全球第二大FPGA廠，但也成為了其下坡路的開始。由於設計規模的迅速攀升，規模已經是決定一個產品的關鍵因素，但是Lattice一直沒有代表作，市場份額已經逐步開始被Xilinx，Altera蠶食。

FPGA2.0（上世紀90年代中期到2017年左右）

從上世紀90年代中期到大約2017年為FPGA2.0階段，我們將其稱為連接浪潮期，這個階段中很多FPGA被用於為網路和存儲實現介面，同時隨著FPGA的密度和性能不斷提升，它們被用於一些更複雜的功能，而不僅僅是膠合邏輯。而這些應用將FPGA的市場需求總量擴展到大約50億美元。

在FPGA2.0階段各個廠商也在積極推動自己的產品。Xilinx一直堅持著其細粒度、島狀布局的FPGA架構。1998年，Xilinx又推出了Virtex FPGA系列，把FPGA架構向前推進了一大步，還為公司帶來了頗為可觀的收入。

Xilinx VIRTEX系列晶片

到了2011年，他們又推出了Zynq-7000系列，2013年推出了可全編程的UltraScale系列。2014年12月，Xilinx的20nm晶片實現量產，2015年Xilinx緊接著推出新的16nm FPGA和SoC，並採用新型存儲器UltraRAM，因此繼28nm和20nm之後，繼續在行業中保持領先。正是這一步步的產品推進，奠定了他們今天的基礎。尤其是在高密度FPGA方面，更是Xilinx的核心競爭力所在。期間對Philips CoolRunner、Sarance、AutoESL和Modesat Communications等企業的收購，也讓Xilinx的實力更進一步。

從 1996 年開始， Altera 推出了具有內部可編程 PLL 的 FLEX 器件。這是一個重大的轉變，它意味著FPGA開始集成一些常用的但不屬於傳統意義上邏輯器件的硬體電路模組。從這時起，FPGA就已經不再是單純的可編程邏輯器件而開始向一種系統級通用器件轉變。Altera在2001年推出的Stratix中集成了功能更加完備的嵌入式數字訊號處理（DSP）模組，這一產品的推出讓當時FPGA市場的競爭規則又發生了改變，Altera用TRAM的形式和Xilinx的分散式RAM和blockRAM開始競爭。2007年左右，Altera開始發售業界的首款65nm低成本FPGA——Cyclone III系列。Cyclone III FPGA比競爭FPGA的功耗低75%，含有5K至120K邏輯單元(LE)，288個數字訊號處理(DSP)乘法器，存儲器達到4Mbits。Cyclone III系列比前一代產品每邏輯單元成本降低20%，使設計人員能夠更多地在成本敏感的應用中使用FPGA。

根據英特爾的預測，他們計划到2023年以接近直線增長率來提升FPGA的業務。對此我們還是抱有謹慎的態度。但FPGA業務隨著時間的推移或多或少地在增長（比15年前增長約2.5倍）。英特爾還預計，FPGA的營收在2014年到2023年之間將會再翻一倍。

這個紀元中，前兩名的Xilinx和Altera在競爭中互相成就，進一步拓展了市場份額，其他小眾公司也在併購和強強聯合中繼續成長，2010年底4.3億美元溢價30%收購Actel讓Microsemi在安全領域有了更多的建樹，Lattice也在尋求更合適的金主。

隨著雲計算的興起，FPGA也進一步拓展了數據中心的市場。2014年，微軟在電腦架構領域的高峰會ISCA上發表了一篇名為「A Reconfigurable Fabric for Accelerating Large－Scale Datacenter Services」的論文，詳細介紹了微軟Catapult項目團隊如何在其數據中心裡的1632台伺服器中部署了英特爾StraTIx V FPGA，並用FPGA對必應（Bing）搜索引擎的文件排名運算進行了硬體加速，得到了高達95％的吞吐量提升。這篇文章標誌著FPGA第一次在互聯網／軟體公司的大型數據中心裡得到實質性應用，同時也告訴人們FPGA已不再僅僅是硬體公司的專屬產品，而是可以有效的應用於像微軟這樣的互聯網公司，並有機會部署在Google、亞馬遜、阿里等其他互聯網巨頭的伺服器中。微軟也是第一個在公有雲基礎設施中部署FPGA的主要雲服務提供商。

2015年12月，Intel以167億美元收購了Altera，這次收購不僅是FPGA發展的里程碑，也是英特爾對FPGA巨大的潛力的承認。FPGA作為未來強大的計算加速器，不但影響主要企業的決策和市場趨勢，而且加速企業中的工作負載，促進超大規模數據中心的內部搜索，以及提高高性能計算模擬的地位。

FPGA 3.0（2017以後）

從大約2017年開始，我們進入了FPGA 3.0這個新紀元，其核心內容是數據加速。現在的FPGA已經成為計算引擎，在微軟Azure和亞馬遜Web Services等應用的數據中心得到了大批量的部署。現在FPGA市場總需求量的保守估算為100億美元，同時也可能是這個數字的2-3倍。

全球FPGA市場規模持續攀升，根據研究機構MRFR的預測，全球FPGA市場規模2019年達到69億美元，2025年有望達到125億美元，未來市場增速穩中有升。亞太區佔比達到42%，成為FPGA主要市場，中國FPGA市場規模約100億人民幣，未來隨著中國5G部署及AI技術發展，中國FPGA規模有望進一步擴大。

全球FPGA市場規模

現今的FPGA也形成了非常廣泛的行業覆蓋，從醫療設備到消費品電子、汽車電子、機器人、工業控制，還有航天、航空、電子、通訊、導彈、雷達、高端波束形成系統等國防領域，乃至數據挖掘、機器學習、神經網路等應用領域都有FPGA的身影。Roge表示：「我們相信FPGA將充當從雲到邊緣到IoT部署的可編程加速器。」

三、新紀元下的場景需求爆發

數據中心建設

數據中心邏輯晶片百億美元級別的市場，則成為FPGA爭搶的大蛋糕，低延遲+高吞吐也奠定FPGA核心優勢。數據中心領域邏輯晶片市場規模2017年達25億美元，2022年有望達到80-100億美元。各大廠商也制定了「數據中心優先」戰略，圍繞著計算、網路、存儲突破應用場景。

數據中心中邏輯晶片市場規模

計算成為最主要的場景，FPGA也可以在硬體加速上大展拳腳，相比GPU，FPGA在數據中心的核心優勢在於低延遲及高吞吐。微軟Catapult項目在數據中心使用FPGA代替CPU方案後，處理Bing的自定義演算法時快出40倍，加速效果顯著。數據中心對晶片性能有較高要求，硬體即服務模式下，未來更多數據中心採納FPGA方案將提高FPGA在數據中心晶片中的價值佔比。

對於網路，以前10G以下的速率都是用CPU來處理，而到25G到100G，因為CPU不僅要處理網路數據，還要處理應用業務，來不及處理網路負載。因此，基於FPGA的智慧網卡成為了香餑餑。在存儲方面，隨著移動互聯和和未來5G產生的數據量躍升，數據最後的存儲與分析如果還是依賴伺服器CPU處理，處理速度和功耗都將顯著惡化。因此業界都在轉用專用CPU或FPGA來卸載這些負載。

近日Xilinx也推出了業界首款「一體化SmartNIC平台」Alveo U25，針對雲服務商、電信公司和私有雲數據中心運營商而設計，號稱是業界真正在單卡上實現了網路、存儲和計算加速功能的完美融合，可以進一步通過智慧網卡提供更高效率和更低成本。同時還推出了業界首款基於FPGA的OpenCompute加速器模組。

5G基地台和白盒化

同時基地台建設也將帶動FPGA的增長。OroGroup發布了一份《移動無線接入網五年預測報告》，該報告預測，接下來的5年時間裡，運營商對於宏基地台、小基地台的需求將會是「迅猛式」，同時了解到,這份報告預測，基地台出貨量將超過2000個,5G新空口大規模天線陣列(MassiveMIMO)收發器的出貨量將超過5000萬個。

移動通訊網路2G-3G-4G-5G，其標準的核心部分實際上主要體現在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基地台、基地台控制、承載、傳輸等產品)中實現，這些標準變化快，各設備廠家為了搶佔產品和技術的制高點，甚至在標準還未凍結之前就推出原型樣機甚至小批量，而這隻有FPGA能做到。近期5G規模部署帶來的UPF白盒化討論，也給FPGA應用提供了參考。

基地台的量非常大，基地台雖然和手機的量沒法比，但遠多於核心網數量，據不完全統計，全球存量基地台有數千萬(5G部署後，可能會輕鬆破億)，每個基地台裡面有數塊到10數塊板子(根據配置不同而不同)，除了電源和風扇板子沒有FPGA晶片外，幾乎每塊板子都有FPGA晶片，有的還不止一顆。另外，基地台主要負責實現通訊協議中物理層、邏輯鏈路層的協議部分，這部分內容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來實現。

AI

CPU的架構在AI場景下顯得無所適從，從而帶動了以影像處理為優勢的GPU產業蓬勃發展。FPGA在性能和自定義邏輯雙向優勢加持下也將成為AI計算晶片的一個好選擇。人工智慧演算法所需要的複雜並行電路的設計思路適合用FPGA實現。

FPGA計算晶片布滿「邏輯單元陣列」，內部包括可配置邏輯模組，輸入輸出模組和內部連線三個部分，相互之間既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的獨立基本邏輯單元。注意FPGA與傳統馮諾伊曼架構的最大不同之處在於記憶體的訪問。FPGA在本質上是用硬體來實現軟體的演算法，因此在實現複雜演算法方面有一些難度。

FPGA相對於傳統處理器有明顯的能耗優勢，主要有兩個原因。首先，在FPGA中沒有取指令與指令解碼操作，在英特爾的傳統處理器裡面，由於使用的是CISC架構，僅僅解碼就占整個晶片能耗的50%。

其次，FPGA的主頻比傳統處理器低很多，通常傳統處理器的主頻在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠低於傳統處理器。英特爾收購Altera，昭示著FPGA領域的變革，未來也將很快看到FPGA與個人應用和數據中心應用的整合。FPGA在功耗和性能上相對同等級的傳統處理器,有較大的優勢。傳統處理器+FPGA在人工智慧深度學習領域，將會是未來的一個重要發展方向。

近日，新型基礎設施成為了中國未來經濟建設的重點任務，「新基建」再次成為了大眾關注的焦點，圍繞著5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智慧和工業互聯網七大領域的科技段基礎設施建設也將成為未來經濟增長的新動力。這些「新基建」的領域也和FPGA的主要爆發場景相契合。

四、中國的FPGA力量

在研究機構的報告中國外三巨頭佔據90%全球市場，國產廠商暫時落後。FPGA市場呈現雙寡頭壟斷格局，Xilinx和Altera分別佔據全球市場56%和31%，在中國FPGA市場中，佔比也高達52%和28%，由於技術、資金、人才上的壁壘及FPGA量產帶來的規模經濟，行業領導者地位較為穩定。

國產廠商目前在中國市場佔比約4%，未來隨著國產廠商技術突破，FPGA領域國產替代或將是百億級的機會，替代空間廣闊。紫光集團曾想通過購買Lattice快速發展，受到美國外國投資委員會(CFIUS)的審查和川普政府的反對後收購以失敗告終。

從上世紀90年代開始，國產FPGA已經經歷了從反向設計走向開始正向設計的時代。從2017年開始，國產FPGA則邁入了發展的第三階段——完備的正向設計時代。而據不完全統計顯示，中國目前有以高雲半導體、京微齊力、上海安路、紫光同創、西安智多晶、AGM、上海復旦微、58所、772所、深圳國微、成都華微等為代表的數家國產FPGA玩家。

近年來國產FPGA也進步神速，繼紫光同創開發出中國唯一一款自處產權千萬門級高性能FPGAPGT180H以來，上海復旦微電子於2018年5月在第二屆中國高校科技成果交易會上發布了新一代自主知識產權億門級FPGA產品，新產品，填補了中國超大規模億門級FPGA的空白。

不過從現狀看來，雖然國產FPGA廠商一直有加大投入，但隨著Xilinx和Intel先後推出的大殺器之後，中國廠商與FPGA頭部兩家公司的差距其實正在進一步拉大。國外廠商已經在進一步加大系統整合和軟體部署能力，但我們國產FPGA還主要集中在解決基礎EDA軟體工具和豐富產品線這兩方面的工作。從FPGA技術方面， Xilinx已經跨進了7nm時代，但現在中國的廠商主要還停留在40nm產品層面，部分廠商在推進28nm的產品和量產環節。

從市場拓展來看，國產FPGA正在拉近與Lattice等廠商的距離，國產FPGA也正在逐步吞噬Lattice和一部分小容量的Xilinx/Intel的市場和客戶。替代10K/20K邏輯處理和CPLD市場，在LED顯示以及消費屏顯等方面，中國客戶也開始考慮中國FPGA廠商的晶片與方案。

總而言之，國產FPGA發展任重而道遠，但相信未來隨著更多的技術突破，國產研究進程將更進一步。

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參考鏈接：

1.http://group.chinaaet.com/4000264812/4100034805

2.http://www.eepw.com.cn/article/126978.htm

3.https://www.ednchina.com/news/201912020842.html

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5.https://zhuanlan.zhihu.com/p/41529938

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8.http://www.elecfans.com/pld/714095.html