FPGA的下一步，做大？

来源：艾睿电子元器件

由于传统的FPGA市场主要分布在通讯、军工和芯片原型验证等小规模领域中，因此市场容量相对较小，但开发是使用难度却不低，因此一直处在一个水声不大的环境中，即使是占领FPGA市场主份额的Xilinx和Altera（被Intel收购）两大巨头日子也不那么好过。如果守着自己的一亩三分地，没准哪天就有人来攻城略地一番，Achronix就是一个活脱脱例子，所以是要考虑将蛋糕“做大”的时候了。

如何做大？寻找风向标

近些年AI、大数据、物联网的崛起似乎在给FPGA一些启示，按照发展历程来说，自Xilinx在1984年创造出第一款FPGA以来，FPGA就一直扮演着协处理器的角色，是否要冲破该角色，来分享芯片市场、系统市场的一抹甜味儿？显然已经有了答案。

FPGA（Field Programmable Gate Array）的发展和所有的科学技术都一样，离不开两个驱动力，即相关领域各大公司的研发以及各大高校和科研机构的科学研究，在满足短期实用性输出的同时，又覆盖未来长期的技术攻克与突破。

就科研机构来说，FPGA有着自己的圈子，而这个圈子中流行着一个一年一度大会——“FPGA国际研讨会”（简称ISFPGA），这个从1993年举办至今的大会一直是FPGA领域的旗舰级顶会，没有之一。而在ISFPGA上发表的文章，都代表着FPGA最前沿和最优秀的研究成果，也被业界人士看成是预测FPGA今后发展方向的风向标。

最近的一期ISFPGA会议是在2019年的2月份，在诸多崭新科研成果的基础上，集中体现了两大研究方向，即：

其一：人工智能+，比如FPGA微架构、FPGA编程工具与编程语言，以及FPGA在AI+中的各种应用等。

有二：FPGA的高层次综合（High-Level Synthesis，HLS），也就是使用高层语言，如C++/OpenCL/Python等，对FPGA进行有效的编程和使用。

而从各大公司的角度来说，芯片制造技术难以持续缩进，多核CPU性能的提高越来越艰难。这给FPGA各大厂商带来了机遇，或间接推动FPGA产业的发展，一些新的形式迸发出来，当然这些形式和科研机构之前的某些预期也是不言而喻的，大多集中在计算加速等新兴市场上，Bing加速算是近年来的一个引子，MacPro配FPGA加速卡则算是另一个实例。

进军AI芯片领域，FPGA独具优势

AI芯片领域已成红海，如何定位自己？就目前的发展方向而言，FPGA有两条路，一条是成为像GPU一样从某个领域的专用器件转型成被广泛使用的“基础设施”，有很多赞同这个想法声音，包括Intel。而另一条路则是以灵活、低技术风险的优势与ASIC一争高下。

FPGA->GPU，eFPGA雏形?

近年来，数据量和可访问度迅速增长，深度学习被业界大为关注，然而只有更好的硬件加速条件，才能满足现有数据和模型规模继续扩大的需求。现有的解决方案使用图形处理单元（GPU）集群作为通用计算图形处理单元（GPGPU）。而FPGA的高层次综合又给出了另一种解决方案，能够在诸如GPU的固定架构之外进行模型优化探究。同时，FPGA在单位能耗下性能更强，这对大规模服务器部署或资源有限的嵌入式应用的研究而言至关重要。

FPGA&ASIC相爱相杀？

“随着AI算法的进一步成熟固化，AI芯片终会走向ASIC。”这算是一种主流的说法。但AI算法迭代、应用创新的速度将持续很长一段时间，是FPGA发挥其灵活、可应变的大好舞台，是ASIC定性前的演练佳侣。

国内外形势

据Researchand Markets预测，从2018年到2023年，FPGA将是年复合增长率最高的细分市场，数据中心加速器市场预计将从2018年的28.4亿美元增长到2023年的211.9亿美元，年复合增长率达到49.7%。而这一高速增长的驱动力就来自于计算、网络、存储、传感器处理等企业级工作负载加速应用对FPGA的采用。

另据MRFR统计2018年全球FPGA市场规模为60亿美元左右，随着AI+5G的应用逐步展开，其市场规模有望在2025年达到125亿美元，年复合增长率为10.22%。其中在亚太地区，尤其是在中国，由于新兴基础建设应用的铺开，FPGA的复合增长率有望高于其他地区，成为FPGA重要的增量市场。

在市场前景可见的情况下，国内外各大厂商摩拳擦掌，纷纷推出了新产品，并从芯片厂商逐步向系统厂商转型，以获取更大的蛋糕。

国际市场

聚焦芯片级设计，探索FPGA在云端、边缘计算领域的新突破，这是Xilinx和Intel（Altera）这两家国际巨头们的正在做的事情。而Microsemi、Lattice、Achronix、QuickLogic Corp等二级市场厂商来说，寻求与各个板级或者系统级解决方案厂商的合作是他们的最佳选择。

Xilinx

Xilinx公司成立于1984年，Xilinx首创了现场可编程逻辑阵列（FPGA）这一创新性的技术，并于1985年首次推出商业化产品，是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，也是目前排名第一的FPGA解决方案提供商。

产品系列包括：

Spartan系列：定位于低端市场，目前最新器件为采用28nm工艺的Spartan7；

Artix系列：定位于低端Spartan和高端Kintex之间的中端市场，目前在售的主流产品为采用28nm工艺的Artix-7；

Kintex系列：定位于高端市场，包含有28nm工艺的Kintex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale系列，还有16nm的Kintex7 Ultrascale+系列；

Virtex系列：定位于高端市场，包含有采用28nm工艺的Virtex7系列，20nm的Virtex7 Ultrascale系列，还有16nm的Virtex7 Ultrascale+系列；

全可编程SoC和MPSoC系列：包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+MPSoC系列FPGA、内嵌有ARM Cortex系列CPU；

AI Engine系列：Versal ACAP、Alveo系列等。

Intel（Altera）

与Xilinx齐名的FPGA供应商，2015年被CPU届的大佬Intel收购。

产品系列包括：

• MAXII系列：实质上是CPLD；
• Cyclone系列：定位于中低端市场，类似于Xilinx公司的Spartan系列和Artix系列，最新产品为Cyclone10。
• Stratix系列：定位于高端市场，与Xilinx的Kintex、Virtex系列竞争，最新产品为Stratix10；
• Arria系列：SOC系列FPGA,内置ARM Cotex A9的核；
• Intel Arria10系列：支持DDR4存储器接口的FPGA，硬件设计人员可以使用Quartus II软件v14.1，在Arria10 FPGA和SoC设计中实现666Mbps DDR4存储器数据速率；
• Agilex系列：面向数据中心等高端市场，采用10nm工艺，异构3D系统级封装(SiP)技术的一款FPGA产品。

Microsemi

并购了Actel，专注于美国军工和航空领域，产品为反熔丝结构FPGA和基于Flash的FPGA为主，具有抗辐照和可靠性高的优势，最近Microsemi又被Microchip（微芯）并购。

产品系列包括：

• 基于FLASH的通用FPGA系列：包括PolarFire Mid-Range FPGAs、RTG4 Radiation-Tolerant FPGAs、IGLOO2 Low-Density FPGAs三个高、中、低端系列。
• 特殊领域应用系列：如基于SOC的Mi-VRISC-V Ecosystem和Smart Fusion2 SoC FPGA。

Lattice

CPLD的发明者，著名的可编程逻辑解决方案供应商，仅次于Xilinx和Altera。

产品系列包括：

• ECP系列：为Lattice自己的开发的FPGA系列，提供低成本，高密度的FPGA解决方案，而且还有高速Serdes等接口，适用于民品解决方案居多；
• ICE系列：为收购SilioncBlue的超低功耗FPGA，曾用在iPhone7里面，实现了FPGA首次在消费类产品中应用；
• Mach系列：替代CPLD，实现粘合逻辑的最佳选择。

QuickLogic Corp

QuickLogic Corporation诞生于1988年，是一家超低功耗嵌入式现场可编程门阵列(eFPGA)IP、多核语音识别SoC、显示器桥接和可编程序逻辑解决方案开发公司。

eFPGA产品系列包括：采用65nm和40nm工艺的ArcticPro系列和采用GF-22工艺的ArcticPro2 eFPGA。

Achronix

Achronix公司作为后起之秀，早期推出了eFPGAIP，但是限于IP产品的变现速度太慢，随后推出了FPGA芯片，今年5月发布的新品叫Speedater7t。

国内市场

目前国产FPGA还处在起步阶段，产品主要是以40nm、55nm为主，国产替代仍是FPGA行业投资主线。如何突破、如何创新一直是困扰国内FPGA公司的难题。做中低端产品，在同样工艺节点下如何有效地解决芯片成本、性能和功耗问题是关键。做高端产品，如何解决产品的可靠性问题以及如何开发高效能的软件工具是关键。问题重重，但不能停止耕耘，还得要生存下去，甚至梦想有一天能超越国际巨头，而AI、5G的发展也许是一个契机。下面罗列几个国内主要的FPGA厂商，看看他们都在做些什么？

高云半导体

高云半导体成立于2014年，是以55nm级别以上的FPGA芯片为主导产品的集成电路企业，定位中高端和中等规模的FPGA芯片。高云的IC团队较为优秀，但Application/IP以及EDA工具还需要进一步强化。

主要产品系列包括：晨熙家族的GW2A-18系列、GW2A-55系列、GW2AR-18系列以及小蜜蜂家族的GW1N系列、GW1NS系列、GW1NZ系列、GW1NSR系列、GW1NSE安全FPGA产品、GW1NRF系列蓝牙FPGA产品。

安路科技

安路科技成立于2011年，是一家提供可编程逻辑器件（FPGA）、可编程系统级芯片、定制化嵌入式eFPGAIP、及相关软件设计工具和系统解决方案的厂商。

主要产品系列包括：面向高端市场的Phoenix（凤凰）系列、面向中端市场的Eagle（猎鹰）和面向低端市场的ELF（小精灵）系列。

智多晶

智多晶微电子成立于2012年，是由海外留学生归国创设的高科技企业是一家提供可编程逻辑电路（FPGA与CPLD）集成电路制造和应用供应商。

主要产品系列包括：Seagull系列CPLD、Seagull128、Seagull256。

紫光同创

紫光同创系紫光集团下属紫光国微的子公司，从事可编辑逻辑器件（FPGA、CPLD等）研发与销售工作，主要面向通信、信息安全、AI、数据中心、工业物联网等领域。

主要产品系列包括：Titan系列的PGT180H和Logos系列的PGL22G两款。

成都华微

成都华微电子科技有限公司，是国家909工程企业，隶属于中国电子信息产业集团，由中国华大集成电路设计有限责任公司、成都成电大学科技园有限公司、成都创新风险投资有限公司、成都华微员工团队四家股东共同投资创办。

主要产品型号包括：HWD1472/14144/14288/750L/4005E/4010E/4013E、HWDV100/300/600、HWD1000/2V1000/3000/6000。

上海复旦微电子

上海复旦微电子集团股份有限公司是国内从事超大规模集成电路设计、开发和提供系统解决方案商，是国内比较少的自主研发FPGA的研究机构。但其产品主要供应军方，因此具体消息公布较少。

京微齐力

京微雅格实际上有两条产品线，面向中低端市场的金山系列收购美国CSwitch的产品线，面向高速通信市场的公司。

主要产品型号包括：M7华山系列、HR3纯FPGA低功耗系列、M5金山系列、M1衡山系列。

敖格芯

历经三年多的发展，敖格芯已经积累了5个不同的产品线，分别针对CPLD、LoT、FPGA、FPGA+CPU、SoC市场。

771/772所

目前中国航天航空级FPGA芯片供货大户是771、772这两所，这两家都有FPGA事业部和流片的生产线。

写在最后

随着应用领域的拓宽、开发者生态的丰富，编程语言等高层次综合的演进，FPGA的形式将愈发多彩，市场将越来越广泛。

FPGA未来会怎样？肯定不是简单的逻辑规模扩大和速度提升。

对于国际巨头来说，尽早布局云端FPGA生态，着手边缘计算、搭配其他应用组成兼具灵活度和性能的SoC是他们亟需或已经在做的事情。

对于国内FPGA企业来说，抓住AI+5G的机遇，脚踏实地，通过人才到技术的落实，不断缩小与巨头间的差距是首要任务。