怎樣用FPGA做產(chǎn)品設(shè)計(jì)？

FPGA簡介

FPGA(Field Programmable Gate Array)于1985年由xilinx創(chuàng)始人之一Ross Freeman發(fā)明，雖然有其他公司宣稱自己最先發(fā)明可編程邏輯器件PLD，但是真正意義上的第一顆FPGA芯片XC2064為xilinx所發(fā)明，這個時間差不多比摩爾老先生提出著名的摩爾定律晚20年左右，但是FPGA一經(jīng)發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象，近些年的FPGA，始終引領(lǐng)先進(jìn)的工藝。

FPGA發(fā)明后，在這個行業(yè)里面曾經(jīng)出現(xiàn)過不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，經(jīng)過十幾年的廝殺，玩家逐漸減少，這些公司或者出售，或者退出，如cypress，atmel完全退出，actel出售給microsemi，altera被intel收購，但這兩個廠家還在這個行業(yè)?，F(xiàn)在國際上的主流廠家實(shí)際只剩xilinx，altera(intel)，lattice和microsemi四家。而前兩者是絕對的霸主，占據(jù)市場總份額的近90%，處在第一陣營。后兩者份額在百分之十左右，處在第二陣營，但和第一陣營差距非常大。與國際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國內(nèi)陸續(xù)誕生了一些FPGA設(shè)計(jì)公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場份額及技術(shù)方面和國際巨頭差距非常大，還遠(yuǎn)未達(dá)到挑戰(zhàn)領(lǐng)先巨頭的實(shí)力，后面會對國內(nèi)廠家做些分析。

下面再來簡要介紹FPGA設(shè)計(jì)，這里的FPGA設(shè)計(jì)不是研發(fā)FPGA芯片，而是用FPGA做產(chǎn)品設(shè)計(jì)。業(yè)界普遍認(rèn)為FPGA設(shè)計(jì)門檻很高，相對軟件設(shè)計(jì)，差別在哪呢?現(xiàn)在FPGA的主流設(shè)計(jì)還是采用verilog設(shè)計(jì)(早期有使用原理圖方式，這個方式更接近硬件搭積木，但大規(guī)模的設(shè)計(jì)無法完成)。用matlab，C語言做算法設(shè)計(jì)，然后通過工具直接轉(zhuǎn)化為verilog的方式，喊了十幾年，到現(xiàn)在還未成為主流，說明工具在轉(zhuǎn)化verilog方面其效果還不如有經(jīng)驗(yàn)的FPGA人員寫的代碼。Verilog語言本身非常簡單，但FPGA設(shè)計(jì)的難點(diǎn)并不在語言，而是對FPGA器件內(nèi)部資源和硬件的熟悉，你寫的語言能和你使用的目標(biāo)器件高效的配合起來，使它的效果、利用率以及程序的可讀性達(dá)到最優(yōu)，這個難度就非常大了。筆者曾經(jīng)牽頭編寫了某大型公司整個無線產(chǎn)品的coding style，有近200條規(guī)定，這些規(guī)定是幾十個FPGA開發(fā)人員多年經(jīng)驗(yàn)的積累，不按這個來，隨時可能是個坑。好的coding style，不僅程序?qū)懙煤苊烙^，可讀性好，也不容易出bug。一般來說，要成為一個有經(jīng)驗(yàn)的FPGA設(shè)計(jì)人員，起碼得從事相關(guān)工作5年以上，經(jīng)歷過3個以上大型項(xiàng)目的鍛煉，而且需要有高手帶。筆者曾經(jīng)面試過的大量的FPGA開發(fā)人員，基本上從研究所、小公司或者小團(tuán)隊(duì)出來的，盡管有些工作了很多年，其底子也不是太好(這里沒有歧視研究所和小公司的意思，術(shù)業(yè)有專攻而已)。因此，如果想在FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域做得很深入，國內(nèi)著名通信設(shè)備廠家絕對是最好的選擇，沒有之一。當(dāng)然，如果有IC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人，轉(zhuǎn)為FPGA開發(fā)，則會快很多，而且基本功也很扎實(shí)，但需要補(bǔ)充行業(yè)、系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)。

FPGA從誕生起，就注定和ASIC站在不同的陣營。ASIC是固化好的芯片，不可以進(jìn)行硬件編程(上面跑軟件的不屬于硬件編程)而隨意改變硬件結(jié)構(gòu)，而FPGA則可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要改變硬件結(jié)構(gòu)。因此，從靈活性來說，F(xiàn)PGA遠(yuǎn)強(qiáng)于ASIC芯片，而且FPGA開發(fā)周期也比ASIC要短，因此在有些領(lǐng)域或者場景下，F(xiàn)PGA比ASIC有優(yōu)勢，比如通信領(lǐng)域，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還不成熟時，各個廠家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出產(chǎn)品，而且高度靈活滿足了非標(biāo)準(zhǔn)接口的開發(fā)。再比如工業(yè)領(lǐng)域，很多功能也可能是非標(biāo)的，很難找到合適的ASIC芯片，這時FPGA也是很好的選擇。但是FPGA也有它的弱點(diǎn)，為了保證靈活性，芯片里面預(yù)留了可配置邏輯，即相對ASIC增加了冗余的面積，這樣既增加了成本也增加了功耗，這就決定了在有些領(lǐng)域里面它很難競爭過ASIC，比如終端產(chǎn)品，它對低功耗要求比較高。在標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品、功能里面，它不需要那么靈活，這也不是FPGA的菜。因?yàn)榻K端產(chǎn)品量非常大，而且這個世界上大部分東西都是有共性的，即可以標(biāo)準(zhǔn)、通用的可能性大，因此，F(xiàn)PGA在整個芯片行業(yè)占比總體來說比較小。這些年FPGA總體市場規(guī)模在40億美金左右(加上CPLD大概在50多億美金)，而2016年全球芯片市場規(guī)模大概在4000億美金左右。

總體來說，由于FPGA本身的特點(diǎn)，決定了它不是在每個行業(yè)、產(chǎn)品都適合應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化的，功耗要求很嚴(yán)格的，單價很低的產(chǎn)品都不適合，而這些恰恰是電子產(chǎn)品中占比大的，事實(shí)上，F(xiàn)PGA用得比較多的行業(yè)主要有通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、及高端安防等，以及航天和軍工(可靠性要求高，但量不大)，未來可能數(shù)據(jù)中心和AI會是一個爆發(fā)點(diǎn)，后面會做分析。

FPGA在各行業(yè)的應(yīng)用分析

在芯片應(yīng)用行業(yè)，計(jì)算機(jī)和通訊是最大的兩個領(lǐng)域，而對于FPGA來說，應(yīng)用的第一大領(lǐng)域是通訊而不是計(jì)算機(jī)。PC機(jī)雖然數(shù)量及其巨大，但PC機(jī)里面沒有FPGA芯片，原因是PC機(jī)是一個高度標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，因此PC機(jī)里面所有芯片用ASIC實(shí)現(xiàn)不僅可行，而且是經(jīng)濟(jì)的。而服務(wù)器、大型機(jī)里面開始逐步在使用FPGA，主要用于大數(shù)據(jù)的協(xié)處理，目前量還不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和通信產(chǎn)品使用的FPGA相比，但未來潛力很大，后面會做進(jìn)一步介紹。

通信產(chǎn)品可以從云、管、端層面來劃分，端不大適合使用FPGA，如前所述，因?yàn)镕PGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時間吵得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的lattice FPGA芯片用于三星和蘋果7的手機(jī)案例，實(shí)屬特例，千萬不要認(rèn)為未來FPGA能大規(guī)模進(jìn)軍消費(fèi)電子，從而使得FPGA市場規(guī)模將成倍甚至數(shù)十倍的增加，至少短期內(nèi)可能性不大。

通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算沒有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒有FPGA，因?yàn)楹诵木W(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實(shí)際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品)中實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。一般來講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴?？紤]量、價因素，最終還是基站側(cè)用的FPGA總價高。[!--empirenews.page--]

為什么是基站(也可以說是管道)最適合用FPGA，而且總價最高。首先因?yàn)榛镜牧糠浅４?，基站雖然和手機(jī)的量沒法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球存量基站有數(shù)千萬(5G部署后，可能會輕松破億)，每個基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子(根據(jù)配置不同而不同)，除了電源和風(fēng)扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。其次，基站里面用的FPGA型號也不會太低端，因?yàn)橐幚韽?fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個重要的考慮。一般來講，基站中的芯片價格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗(yàn)證用，不會大規(guī)模發(fā)貨。最后，基站主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來實(shí)現(xiàn)，尤其是協(xié)議未完全凍結(jié)時，最適合FPGA來處理，因?yàn)榭梢酝ㄟ^升級FPGA版本來應(yīng)對協(xié)議變動，待協(xié)議完全凍結(jié)后，各設(shè)備廠家會逐步以ASIC來替代之前的FPGA，因?yàn)榱窟_(dá)到一定程度后，ASIC的成本和功耗優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，而且大型設(shè)備商的ASIC化能力又非常強(qiáng)，因此FPGA在通信領(lǐng)域主要在初、中期應(yīng)用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口類的FPGA，這也是FPGA廠商必須要面對的一個現(xiàn)實(shí)。

除了通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在安防和工業(yè)領(lǐng)域也存在大量應(yīng)用。在安防領(lǐng)域，視頻的編解碼比如MPEG和H.26x等協(xié)議基本由專用ASIC實(shí)現(xiàn)，但是前端的數(shù)據(jù)采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來處理，因?yàn)榘卜酪彩且粋€巨大的產(chǎn)業(yè)，因此，F(xiàn)PGA的用量也是非?？捎^的。工業(yè)領(lǐng)域主要用FPGA的靈活性來做控制，而且主要是規(guī)模比較小的FPGA。此外，軍工和航天也是FPGA應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，軍工和航天對FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有軍工產(chǎn)品外，microsemi(前actel)的anti-fuse工藝(一次編程，可以更好的抗干擾和抗輻射等)FPGA因其高可靠性，主要用于軍工航天產(chǎn)品。

FPGA未來幾年的發(fā)展趨勢

(1)技術(shù)層面

首先從技術(shù)上來看FPGA未來的發(fā)展，至少在幾年內(nèi)還是遵循摩爾定律的規(guī)則，工藝不斷升級，目前xilinx 16nm工藝的FPGA已經(jīng)成熟商用，altera被Intel收購后逐步會切到Intel的工藝上面來，現(xiàn)在也推出基于Intel 14nm工藝的Stratix 10等高端芯片。xilinx下一代產(chǎn)品會升級到7nm，重點(diǎn)應(yīng)該還是瞄準(zhǔn)通信和可能出現(xiàn)的新興行業(yè)如大數(shù)據(jù)處理等?？梢灶A(yù)見的是，未來5年內(nèi)工藝升級仍然是FPGA發(fā)展的主要方向。

其次，要符合未來行業(yè)的應(yīng)用。FPGA市場定位一定是以下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢為依據(jù)的。在過去十幾年中，xilinx和altera、lattice等公司最重視華為、中興、愛立信等公司的需求，因?yàn)镕PGA在通信行業(yè)的市場占據(jù)了他們營收的半壁江山，所以這些年FPGA公司的Marketing相對來說是比較好做的。曾經(jīng)有一次lattice的全球Marketing VP 來我這里進(jìn)行市場需求搜集，說這場會議是他最重視的，雖有恭維之詞，但我們確實(shí)給lattice創(chuàng)造了在他們公司單一芯片最大銷量的記錄。FPGA下一個應(yīng)用熱點(diǎn)，一定還是通信，從4G過度到5G，5G初期的量會很大，中后期逐步被ASIC化。另外可能大數(shù)據(jù)也會起來，畢竟FPGA協(xié)同CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理已經(jīng)在多家大公司得到了驗(yàn)證，微軟bing團(tuán)隊(duì)用于搜索引擎處理的著名論文更是讓業(yè)界認(rèn)同F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢，后面是逐步上量的過程。人工智能不會那么快上量，一來AI目前還剛起步，究竟是FPGA、GPU、CPU唱主角還在爭論中，ASIC商用更早。二來FPGA在AI領(lǐng)域并沒有真正成功的商用案例，從開始商用到最后上規(guī)模需要比較長的時間。但是一旦FPGA在AI應(yīng)用成為共識，其市場潛力極其巨大，也許會使得FPGA市場這個盤子迅速突破徘徊多年的4、50億美金。因?yàn)锳I和行業(yè)密切相關(guān)，這決定了AI行業(yè)會有大量的中小公司，不像通訊設(shè)備行業(yè)這樣集中到幾個大公司，這些小公司沒有使FPGA 成為ASIC的能力，可能自始至終都是用FPGA，即使強(qiáng)大到如BAT，在其利潤非?？捎^的情況下，也未必會很快啟動自己的ASIC設(shè)計(jì)來替代FPGA，因此如果AI行業(yè)中會大規(guī)模使用FPGA，F(xiàn)PGA行業(yè)規(guī)模將會得到快速增長。

(2)商業(yè)層面

芯片行業(yè)并購是這幾年的主旋律，一方面是巨頭們在某些細(xì)分領(lǐng)域遭遇到中小公司強(qiáng)有力的競爭，使得他們的利潤率收到影響，收購可以減少競爭，維持一定的寡頭利潤。另一方面行業(yè)競爭使得巨頭們需要抱團(tuán)取暖，豐富自己的產(chǎn)品線以進(jìn)軍廣泛的市場，如avago收購博通成立新的博通。還有的收購是為了增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，很顯然，Intel 花160多億美金收購altera不是為了獲得altera在通信市場的份額，而是和自己的cpu在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理方面的協(xié)同增效，以維持Intel在未來新興行業(yè)的霸主地位。這樣一來，xilinx可能會比較被動，雖然在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理方面xilinx也推出相應(yīng)的解決方案，而且也有下游巨頭落地的案例，但是如果Intel 在市場上占據(jù)了主導(dǎo)，它一定會通過各種方式給xilinx設(shè)置相應(yīng)的門檻，比如FPGA和Cpu之間自定義接口，或者牽頭制定相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等。xilinx未來是否也會走和altera相同的路還不好說，畢竟能買得起xilinx的芯片巨頭一只手都能數(shù)的過來，而且還要有相關(guān)性，這個范圍就更小了，讓我們拭目以待。

各巨頭市場份額及中國企業(yè)的機(jī)會

2016年FPGA的總體市場規(guī)模在40多億美金，比2015年增長約10%左右，受通信市場運(yùn)營商建設(shè)周期的影響，這幾年FPGA的市場規(guī)模在40億美金上下波動，總體比較平穩(wěn)。以下是幾個主流FPGA廠家15/16年的市場占有率和銷售額，xilinx和altera遙遙領(lǐng)先，約占市場份額的90%左右，為第一梯隊(duì)。Microsemi和lattice為第二梯隊(duì)，中國廠商在里面屬于Others陣營，市場份額大概在1%左右。

可以這么講，目前中國IC廠商在FPGA這個細(xì)分領(lǐng)域和國外巨頭的差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他領(lǐng)域要大，原因很多，其中很重要的一點(diǎn)是FPGA技術(shù)門檻非常高，核心技術(shù)只掌握在及其少數(shù)的公司手上，而且xilinx和atlera手頭握有6000多項(xiàng)專利，對后進(jìn)者形成很高的技術(shù)壁壘，國內(nèi)廠商要么和國外巨頭專利交叉授權(quán)，要么花錢買專利，但當(dāng)前我們并沒有多少專利可以和xilinx和altera進(jìn)行交叉許可，購買難度更大，這不僅僅是資金的問題。從canyon bridge收購lattice被美國商務(wù)部否決來看，凡涉及到美國國家安全的高新技術(shù)公司，我國是不可能通過收購來獲得的，lattice在行業(yè)內(nèi)充其量是第二團(tuán)隊(duì)尚且如此，業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)我國更難獲得。因此，國內(nèi)FPGA的發(fā)展只能靠自主，雖然這個過程可能會很漫長，但除此之外沒有更好的選擇。[!--empirenews.page--]

下面從SWOT四個維度簡要分析當(dāng)前國內(nèi)發(fā)展FPGA的前景。

(1)首先說優(yōu)勢。相比較xilinx和altera，國產(chǎn)FPGA廠商目前基本沒有絕對優(yōu)勢，只有比較優(yōu)勢，比如起點(diǎn)高，再也不用從微米級技術(shù)開始做起，一開始就從幾十納米進(jìn)入，工藝差距可以縮小到2-3代的水平。另外，中國是FPGA芯片的應(yīng)用大國，國產(chǎn)FPGA有本土化的各種優(yōu)勢，比如對中小客戶需求的理解等比國外巨頭要更接地氣等。

(2)劣勢的話很明顯，從專利、技術(shù)產(chǎn)品到人才及市場品牌等，國產(chǎn)FPGA廠商都和國外巨頭存在很大的差距。

(3)再說機(jī)會，當(dāng)前中國廠商面臨的機(jī)會比較多，因?yàn)閺膰覍用鎭砜匆呀?jīng)把FPGA列為國家戰(zhàn)略芯片，政府在這個領(lǐng)域的投入可能會逐步增加，雖然政府直接主導(dǎo)這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展未必是好的方式，但是給予民營企業(yè)各方面的支持卻是非常重要的。另外，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國的企業(yè)能吸引到更多更優(yōu)秀的國際化人才加入，尤其是一些高端的FPGA領(lǐng)軍人才，對一個企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。最后，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)等新興行業(yè)的發(fā)展，F(xiàn)PGA市場容量可能會出現(xiàn)大規(guī)模的增長。

(4)最后說威脅。說道威脅，專利是一個。當(dāng)中國企業(yè)還很弱小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)對國際巨頭構(gòu)不成競爭的時候，這個風(fēng)險還不大，如果已經(jīng)形成競爭關(guān)系的時候，可能巨頭們就會拿起專利武器來捍衛(wèi)自己的利益，如同中興、華為在發(fā)展過程中遇到的問題一樣，這就要求中國的FPGA廠商要苦練內(nèi)功，在專利和技術(shù)方面踏踏實(shí)實(shí)做好積累，以應(yīng)對將來可能出現(xiàn)的專利戰(zhàn)以及國際化，否則即使能做出產(chǎn)品，可能也走不遠(yuǎn)。

總體來看，雖然目前中國在FPGA這個領(lǐng)域比國外的主流廠商還存在很大差距，但是考慮到中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國力的增強(qiáng)以及政府對芯片產(chǎn)業(yè)的高度重視，還有這個市場可能出現(xiàn)的大幅增長，中國的國產(chǎn)FPGA和國外主流廠商的差距會逐步縮小，雖然這個過程會比較長，但趨勢是無疑的。

近些年中國陸陸續(xù)續(xù)誕生了一些FPGA廠商，如京微雅閣、安路、同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已經(jīng)在商用，有的在大公司進(jìn)行樣品認(rèn)定和試驗(yàn)項(xiàng)目，這是一個很好的信號。在今年的“IC-CHINA 2017”大會中，高云發(fā)布了3款新品，不僅發(fā)布了集成ARM3的SOC FPGA，還有基于55nm SRAM工藝的“晨熙”系列和基于55nm嵌入式Flash+SRAM的“小蜜蜂”4個系列11款產(chǎn)品，基本覆蓋了lattice 70%~80%左右的產(chǎn)品，特別是小蜜蜂系列，對應(yīng)lattice 的XO2/XO3，對其形成強(qiáng)有力的替代競爭優(yōu)勢。另外，高云28nm的產(chǎn)品已經(jīng)在研發(fā)中，預(yù)計(jì)2019年左右推出。目前高云FPGA芯片累計(jì)出貨量即將達(dá)到200萬片，對于一個成立才3年左右的公司，這個發(fā)展是相當(dāng)迅速的，如果芯片的良率在應(yīng)用中得到逐步提高，芯片可靠性得到了用戶的認(rèn)可，這將會對國外廠商產(chǎn)生很大的沖擊。與此同時，安路也發(fā)布了它最新55nm的第二代“小精靈”ELF2系列高性能低功耗和內(nèi)嵌MCU的SOC FPGA，向國外廠家的中低端產(chǎn)品發(fā)起了挑戰(zhàn)。

回頭看中國每個發(fā)展得不錯的行業(yè)，基本都遵循一個邏輯，先是從低端開始突破，對國外同類產(chǎn)品進(jìn)行替代，在行業(yè)站穩(wěn)了腳跟之后，開始持續(xù)改進(jìn)，不斷提升自己的技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)以及專利積累等，到了一定階段之后可以在細(xì)分領(lǐng)域里面創(chuàng)造一些需求，以不斷向高端進(jìn)軍，最終在行業(yè)里面的高端占有一席之地。中國通訊制造業(yè)、高鐵制造等都是遵循這個邏輯發(fā)展的。 “低端突破->持續(xù)改進(jìn)->創(chuàng)造需求->高端引領(lǐng)” 是中國各個行業(yè)發(fā)展的必由之路。對于FPGA行業(yè)來說，也完全可以按照這個思路發(fā)展。