國產(chǎn)FPGA：沉淀、破局、向上生長(zhǎng) ——易靈思亮相2023年首屆上海國際嵌入式展

FPGA被譽(yù)為萬能芯片，在制造出來之后，設(shè)計(jì)者仍可在其上構(gòu)建自定義的電路結(jié)構(gòu)，并且可以重復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程。

自1985年賽靈思發(fā)明FPGA被發(fā)明以來，其核心專利一直被頭部國外廠商所掌握。但國產(chǎn)廠商一直從未放棄在FPGA領(lǐng)域的努力，從早期的逆向工程，到現(xiàn)在的自主可控，國產(chǎn)FPGA已經(jīng)走出了一條道路。

在首屆上海國際嵌入式展上，易靈思作為國產(chǎn)FPGA廠商受邀參展。我們也有幸采訪到了易靈思的市場(chǎng)總監(jiān)杜寧先生，就國產(chǎn)FPGA的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行了深入的探討。

【一 · 沉淀】底層架構(gòu)開始創(chuàng)新

“量子你在不觀察的時(shí)候，你是不知道它是1還是0對(duì)吧？只有當(dāng)你觀測(cè)它你才知道它的狀態(tài)。易靈思FPGA的Quantum（量子）架構(gòu)也是一樣道理?！?/span>

國產(chǎn)FPGA要做好，最關(guān)鍵的一點(diǎn)首先就是要有無風(fēng)險(xiǎn)的底層專利技術(shù)，而這也正是易靈思最具特色的一點(diǎn)，在于其采用了一種和傳統(tǒng)FPGA不同的架構(gòu)——即Quantum架構(gòu)（量子架構(gòu)），并在多年的沉淀之后，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)自主的專利產(chǎn)品。

可邏輯可布線的基本XLR單元

“像Xilinx、ALtera等的傳統(tǒng)IP架構(gòu)的布局，它的邏輯和不限基本上是相對(duì)固定的，你可以理解為就像城市里面的道路和樓房一樣，道路跟樓房這都是固定的，你不能說拆就拆，對(duì)吧？因?yàn)椴鹌饋砗苈闊！倍艑幗忉尩健！暗覀冞@個(gè)Quantum架構(gòu)是完全不同的，為什么叫Quantum（量子）架構(gòu)呢？量子在你不觀察的時(shí)候，你是不知道它是1還是0對(duì)吧？只有當(dāng)你觀測(cè)它你才知道它的狀態(tài)。量子架構(gòu)也是一樣道理?！?

Quantum架構(gòu)最底層的基本單元叫做“XLR”，即“eXchangeable Logic and Routing Cell”。該架構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于邏輯跟布線資源是可以互換的，并不是絕對(duì)固定的。

當(dāng)開發(fā)者買回這個(gè)FPGA不用的時(shí)候，并不知道哪些塊用于布線，哪些塊用于邏輯。只有當(dāng)用戶真正去編譯、去部署的時(shí)候，軟件就會(huì)告訴用戶哪些變成走線了，哪些用于邏輯實(shí)現(xiàn)；所以這就是Quantum架構(gòu)跟傳統(tǒng)IP架構(gòu)完全不一樣的地方。

第一家將RISC-V IP放在FPGA中并實(shí)現(xiàn)商用

除了Quantum架構(gòu)外，易靈思的產(chǎn)品另一大特色在于全部都支持RISC-V的IP。雖然這個(gè)IP來自一個(gè)開源項(xiàng)目，但易靈思在其之上進(jìn)行了數(shù)次迭代，進(jìn)行了相關(guān)的配置開發(fā)和軟件支持?！斑xRISC-V對(duì)我們來講，這是一個(gè)戰(zhàn)略意義的決策，我們應(yīng)該是全世界第一家把RISC-V放在FPGA里，并且可以商用的FPGA公司。”杜寧分享到。

與Zynq7000、MPSoC等內(nèi)置Arm硬核的產(chǎn)品不同，易靈思中的RISC-V核是一個(gè)軟核，以IP的方式存在。因此只有在用戶需要的時(shí)候可以自由選擇調(diào)用，不需要的時(shí)候仍是可以任意配置的邏輯塊。選擇RISC-V IP和Quantum結(jié)合，可以說是非常妙的搭配，即保留了Quantum的高度靈活優(yōu)勢(shì)，又為需要CPU的開發(fā)者提供了快速配置的功能。

據(jù)悉，該RISC-V的內(nèi)核來自GITHUB上的一個(gè)開源項(xiàng)目，易靈思從2018年開始引入，并且多年來歷經(jīng)了數(shù)次迭代。從最初的性能一般的小核，到現(xiàn)在已經(jīng)可以做到300MHz、400MHz甚至更高。而且用戶在這個(gè)內(nèi)核上可以進(jìn)行非常多自定義外設(shè)的配置，增加客戶自己想要的指令，包括1核、2核、4核都可以進(jìn)行配置。

要讓用戶用的好，不能只是放一個(gè)CPU IP在里面就可以了，在開發(fā)軟件支持方面也要下功夫，易靈思把RISC-V的編譯功能也集成到了自己的軟件里面。對(duì)用戶而言就像個(gè)黑盒子一樣，在易靈思的開發(fā)軟件上既可以做FPGA的設(shè)計(jì)，也可以做RISC-V的設(shè)計(jì)，就無須像之前一樣再額外下載一個(gè)Eclipse等軟件。

軟件不是簡(jiǎn)單的代碼學(xué)工程學(xué)

既然提到FPGA，就不得不說開發(fā)軟件。當(dāng)決定做FPGA的時(shí)候，軟件就是最重要的一個(gè)部分，因?yàn)闆]有軟件客戶肯定是在其上無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)邏輯編程的。

對(duì)于部分國內(nèi)廠商而言，在軟件上的策略是選擇做的和Xilinx、Altera這種頭部廠商的軟件做的更像一些，這是因?yàn)槭褂密浖拈_發(fā)者們，其實(shí)非?？粗厥褂昧?xí)慣。在使用了多年的Xilinx、Altera這類的開發(fā)軟件之后，已經(jīng)形成了一種習(xí)慣。這對(duì)于選擇了像傳統(tǒng)FPGA架構(gòu)的部分國內(nèi)廠商而言，選擇做相似使用體驗(yàn)的開發(fā)軟件是對(duì)的。但對(duì)于易靈思而言，這并不是一個(gè)好的策略。

因?yàn)橐嘴`思采用了接口和邏輯分離設(shè)計(jì)的架構(gòu)，這種完全不同的架構(gòu)也就意味著其開發(fā)軟件的設(shè)計(jì)不過不能和Xilinx、Altera的開發(fā)軟件相似，而是需要配合和沿用自身架構(gòu)的開發(fā)特色。

“軟件是一個(gè)非常需要靠時(shí)間積累和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)工程，它是個(gè)工程學(xué)，并不是單單的代碼累加?！倍艑幪寡缘?。“Xilinx做軟件做了40年，我們不可能僅用10年時(shí)間就超過它。但我們還是會(huì)堅(jiān)持基于Quantum架構(gòu)特色，來做自己特色的軟件迭代、積累，不斷地優(yōu)化來提升客戶的體驗(yàn)。”

【二 · 破局】從嵌入式機(jī)器視覺切入市場(chǎng)

易靈思FPGA依托低功耗、小體積、高性價(jià)比特性，配合MIPI,DDR等硬核接口，在機(jī)器視覺領(lǐng)域中取得先機(jī)，而在低功耗紅外市場(chǎng)領(lǐng)域，易靈思FPGA在主流設(shè)備中的占比超過80%。

FPGA的傳統(tǒng)強(qiáng)勢(shì)應(yīng)用在通信、數(shù)據(jù)中心、視頻處理及顯示、工業(yè)安防等應(yīng)用領(lǐng)域，其中視覺市場(chǎng)雖然在FPGA的傳統(tǒng)應(yīng)用中體量不算很大，但有著很高的增速。來自市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，年增長(zhǎng)速率可以保持20%以上。

增長(zhǎng)的動(dòng)力一方面來自基建完善，包括像中國、東南亞等全球安防基礎(chǔ)設(shè)施的大力鋪設(shè)，交通安防和“天網(wǎng)”等對(duì)于機(jī)器視覺需求也越來越高；另一方面來自工業(yè)發(fā)展，像現(xiàn)在很多二三線的工廠廠房，也要配置視覺監(jiān)控或產(chǎn)線監(jiān)控，工業(yè)相機(jī)的體量越來越大。這都為FPGA在視覺領(lǐng)域的發(fā)展帶來了非常大的契機(jī)，整個(gè)視覺市場(chǎng)的體量，包括FPGA在其中的需求，都會(huì)快速增長(zhǎng)。

而易靈思也是瞄準(zhǔn)了這一機(jī)遇，結(jié)合了自身產(chǎn)品低功耗高算力的優(yōu)勢(shì)，率先進(jìn)入并在國內(nèi)嵌入式機(jī)器視覺領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先的市場(chǎng)地位。

雖然固有認(rèn)知是傳統(tǒng)FPGA的功耗很難控制，并不容易部署在端側(cè)設(shè)備中，但現(xiàn)在通過“半ASIC+半FPGA”這種產(chǎn)品形態(tài)的FPGA產(chǎn)品，已經(jīng)能夠在先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)媲美全ASIC的產(chǎn)品。據(jù)杜寧介紹，目前易靈思的鈦金系列FPGA產(chǎn)品，已經(jīng)有客戶使用在與手機(jī)相連的這種視覺設(shè)備里面，這足以證明其功耗是非常低的。易靈思一個(gè)“16nm工藝、60k邏輯、16nm工藝，5.5×5.5毫米大小”的芯片在客戶產(chǎn)品中實(shí)際跑出來的功耗水平十分驚人，甚至比一些ASIC都要低。

鈦金系列FPGA產(chǎn)品在嵌入式視覺應(yīng)用中，能夠做到如此低功耗的原因在于幾點(diǎn)。一是Quantum架構(gòu)天然的優(yōu)勢(shì)，無論是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)功耗，都可以做到很低。二是將一些重要的關(guān)鍵接口，實(shí)現(xiàn)了硬化，已經(jīng)做成了ASIC。在FPGA領(lǐng)域，易靈思是全球第一家把MIPI-CSI做成硬ASIC的，包括PHY和Controller；一方面降低了功耗，另一方面方便了使用者開發(fā)，用戶只需要在軟件中對(duì)MIPI參數(shù)進(jìn)行配置即可快速實(shí)現(xiàn)協(xié)議，而無需花費(fèi)大量時(shí)間編寫程序。

而除了嵌入式視覺領(lǐng)域之外，像醫(yī)療、汽車等，也是相比傳統(tǒng)通信賽道成長(zhǎng)速率更快，機(jī)會(huì)更大，，易靈思也在積極布局。

目前易靈思有5顆車規(guī)的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)年底會(huì)做完ISO 26262的功能安全認(rèn)證。而像激光雷達(dá)、車內(nèi)顯示、多媒體等應(yīng)用也有客戶在做，只不過透露出的信息較少。

“通信行業(yè)作為最大的細(xì)分市場(chǎng)，易靈思也在積極布局，，針對(duì)近年來更為創(chuàng)新、增長(zhǎng)更快的醫(yī)療、汽車、AI等市場(chǎng)，易靈思也在逐步實(shí)現(xiàn)突破。”杜寧分享到。

【三 · 向上生長(zhǎng)】更大邏輯、更寬接口、更多應(yīng)用

在拿出了創(chuàng)新的產(chǎn)品，站穩(wěn)了嵌入式視覺的市場(chǎng)之后，易靈思未來在產(chǎn)品規(guī)劃和市場(chǎng)布局上會(huì)怎么走？又如何看待先進(jìn)制程被限制的困境？杜寧充滿信心，繼續(xù)向記者給出了答案。

產(chǎn)品布局方面，易靈思40nm的Trion系列，基本上已經(jīng)完結(jié)，已經(jīng)做全部量產(chǎn)了。而16nm將會(huì)是易靈思錨定的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，鈦金系列和天機(jī)系列產(chǎn)品都會(huì)繼續(xù)更新。據(jù)杜寧分享，未來集成了SerDes、375k的16nm芯片將會(huì)面市；天機(jī)系列的高集成度的SiP產(chǎn)品也會(huì)在今年發(fā)布。未來的產(chǎn)品布局上，鈦金和天機(jī)兩個(gè)系列產(chǎn)品會(huì)并行，在16nm節(jié)點(diǎn)上，F(xiàn)PGA會(huì)往“更大”的方向去做。首先邏輯規(guī)模會(huì)更大，第二就是SerDes接口帶寬會(huì)更高。而在天機(jī)系列，易靈思將充分創(chuàng)新，打破傳統(tǒng)FPGA的思維定勢(shì)，提供更多新的方案。

產(chǎn)品性能發(fā)展，必然要邁向更微縮的工藝節(jié)點(diǎn)。這對(duì)于易靈思是否是個(gè)困擾？杜寧是這么看待的：16nm的工藝在六七年前看是非常先進(jìn)的工藝，放在今天一定是會(huì)被制裁的。但是其實(shí)現(xiàn)在隨著最新工藝到了5nm/3nm，其實(shí)16nm對(duì)于諸多應(yīng)用來看已經(jīng)非常普通。而隨著時(shí)間再過一年、兩年、三年，先進(jìn)工藝到達(dá)了2nm、1nm，可能現(xiàn)在受到制裁的7nm、5nm工藝也會(huì)變得更為普通。從這個(gè)意義上來講，芯片制程的提升并不是個(gè)大問題，只不過會(huì)比當(dāng)下最先進(jìn)的晚一些。

而正好從易靈采用的Quantum架構(gòu)來說，其實(shí)對(duì)于先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的要求也并不是那么高。憑借著架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，是可以在晚一代工藝節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)很好的PPA的性價(jià)比的，從這個(gè)角度出發(fā)，易靈思本身也并不急于要用特別高工藝節(jié)點(diǎn)的制程。

而在應(yīng)用方向上，肯定是越來越寬的。而易靈思的思路也非常清晰，就是要在一個(gè)行業(yè)做深、做精、將份額做大，然后布局像醫(yī)療、汽車等高速增長(zhǎng)的市場(chǎng)方向。這些方向，易靈思已經(jīng)在慢慢嘗試布局，想必在一定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，我們會(huì)看到更多的一些信息釋放。

【結(jié)語】國內(nèi)FPGA廠商，要走差異化路線

近年來FPGA市場(chǎng)可謂是風(fēng)云變幻。市場(chǎng)排名第二和第一的Altera、Xilinx先后被Intel和AMD兩大CPU廠商收購。獨(dú)立FPGA廠商所剩無幾。而反觀國內(nèi)，受到自主可控、國產(chǎn)替代等潮水推動(dòng)，已經(jīng)有十多家FPGA廠商涌現(xiàn)。而且這十多家廠商，面向的都是國內(nèi)的市場(chǎng)；而且是在Xilinx、Altera、Lattice等占據(jù)的份額之外的市場(chǎng)，所以說競(jìng)爭(zhēng)格局確實(shí)有點(diǎn)激烈。

在這個(gè)時(shí)候，如果還是選擇規(guī)劃傳統(tǒng)FPGA一樣的產(chǎn)品定義，去搶占傳統(tǒng)FPGA廠商優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)，可以說是非常困難的。目前國內(nèi)領(lǐng)先的FPGA廠商在產(chǎn)品規(guī)模上逐步壯大，分額也在快速提升，易靈思能夠殺出重圍的關(guān)建是要選擇一條差異化的路徑，走出自己的特色。

“我們的目標(biāo)是要充分依托市場(chǎng)、依托客戶需求來做產(chǎn)品，而不僅僅是看國外做了什么，然后就去做?！倍艑幮φ劦?，“Xilinx 10年以前已經(jīng)做出來的東西了，為什么你還要跟他做成一樣的，這不是很奇怪的一個(gè)事情嗎？”