時間：2023.04.25

振華航空芯資訊：面對賽靈思/Altera壟斷，國內(nèi)FPGA廠商如何破局？

有人把它比作集成電路領(lǐng)域的“橡皮泥”，還有人稱其為可編程的“萬能芯片”，作為四大通用集成電路芯片之一，其重要性與CPU、存儲器、DSP齊平。

它是何方神圣？

我們來了解一下。

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(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是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，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。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(diǎn)。

特別是在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)成為電子信息產(chǎn)業(yè)新熱點(diǎn)之際，F(xiàn)PGA在這些領(lǐng)域之中都發(fā)揮著不可替代的作用。中國既是FPGA的重要應(yīng)用市場，也在FPGA產(chǎn)業(yè)上具有一定的基礎(chǔ)。近年來，中國廠商在國際FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)中開始擁有著相應(yīng)地位。國家在扶持CPU、存儲器等集成電路產(chǎn)業(yè)之后，提前布局大數(shù)據(jù)、云計(jì)算產(chǎn)業(yè)，推動FPGA的發(fā)展已箭在弦上。

FPGA的優(yōu)勢和不足

FPGA優(yōu)點(diǎn)包括可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高等。

可編程靈活性高：與ASIC的全定制電路不同，F(xiàn)PGA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(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場可重復(fù)編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運(yùn)行程序來修改芯片，而不是替換和設(shè)計(jì)芯片（設(shè)計(jì)和）時間成本巨大），甚至FPGA可通過因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級。

開發(fā)周期短：ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、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(fā)流程簡化，F(xiàn)PGA比ASIC的設(shè)計(jì)流程大幅減小。

并行計(jì)算效率高：FPGA屬于并行計(jì)算，一次可執(zhí)行多個指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計(jì)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(wù)，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，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實(shí)并沒有所謂的“計(jì)算”，最終結(jié)果幾乎是類似于ASIC“電路直給”，因此執(zhí)行效率就大幅提高。

目前制約FPGA發(fā)展的主要因素分別是：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)。

成本：對于小批量多批次的專用控制設(shè)別（如雷達(dá)、航天飛機(jī)、汽車電子、路由器，這些高價值、批量相對較小、多通道計(jì)算的專用設(shè)備）采用FPGA更加經(jīng)濟(jì)劃算。但是，對于流片量大（大概5萬次以上）的芯片，F(xiàn)PGA成本更高，隨著流片量的增加成本越來越高。

功耗：FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因?yàn)镕PGA廠商并不知道下游的具體需求應(yīng)用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門電路（其實(shí)很多沒有使用到），行業(yè)深度報(bào)告:FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代大有可為國防、汽車等，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/p>

編程設(shè)計(jì)：FPGA的發(fā)展中，軟件將占據(jù)60%的重要程度。除了考慮芯片架構(gòu)，編程設(shè)計(jì)時還要考慮應(yīng)用場景多樣性、復(fù)雜性和效率。FPGA編程需要采用的專用工具進(jìn)行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術(shù)門檻非常高。

FPGA應(yīng)用領(lǐng)域

具體細(xì)分領(lǐng)域來看，在FPGA被用于深度學(xué)習(xí)之前，F(xiàn)PGA主要有3大應(yīng)用方向：通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì)；數(shù)字信號處理方向/數(shù)學(xué)計(jì)算方向，包括圖像處理，雷達(dá)信號處理，醫(yī)學(xué)信號處理等，優(yōu)勢是實(shí)時性好，用面積換速度，比CPU快的多；SOPC，即利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設(shè)計(jì)者在上面進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)。

<section data-brushtype="text" data-style="padding-right: 5px; padding-left: 5px; max-inline-size: 100%; height: 41px; background-image: url(" wx_fmt="png");" background-size:="" line-height:="" box-sizing:="" border-box="" overflow-wrap:="" break-word="" outline:="" none="" 0px="">中國FPGA機(jī)遇何在？

中國FPGA市場國產(chǎn)化率非常低，政府部門國產(chǎn)應(yīng)用率不足30%，還有很大提升空間，商用市場國產(chǎn)化率就更低，形勢不容樂觀。

為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防需求，打破國外壟斷，中國政府多年來投入了數(shù)百億科研經(jīng)費(fèi)，通過逆向工程方式仿制美國對我禁運(yùn)的FPGA產(chǎn)品。

不過，由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商，其它廠商人才匱乏，再加上FPGA開發(fā)需要最先進(jìn)的制造封測工藝、軟件開發(fā)難度大、IP多且雜，需要大量應(yīng)用才能支撐市場，因此中國目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后的問題。

當(dāng)然，這也是國內(nèi)廠商的發(fā)展機(jī)會，從信息、產(chǎn)業(yè)和國防安全等方面考慮，中國不僅需要自主FPGA，而且還需要將其快速國產(chǎn)化。

我們不得不承認(rèn)國產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)與國際巨頭還存在較大的差距，不論從產(chǎn)品性能、功能、功耗、軟件、應(yīng)用支撐以及成本上都有差距。

但是，中國擁有超過50億元的FPGA市場。中國的可編程器件市場將持續(xù)保持年均30%以上的增長速度。諸如航天航空、信息安全、知識產(chǎn)品保護(hù)等國內(nèi)一些重要研究部門急需也長期需要FPGA用于國家安全和重點(diǎn)應(yīng)用。

此外，中國電子產(chǎn)品市場要求敏捷快速的研發(fā)周期和少量多樣的產(chǎn)品形態(tài)，最適合FPGA應(yīng)用。以及在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下，預(yù)計(jì)將帶來龐大的FPGA增量市場，而這也是國內(nèi)廠商快速切入的時機(jī)。

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