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一經發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數人的想象，近些年的FPGA，始終引領先進的工藝。
FPGA發(fā)明后，在這個行業(yè)里面曾經出現過不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，經過十幾年的廝殺，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)。現在國際上的主流廠家實際只剩xilinx，altera(intel)，lattice和microsemi四家。而前兩者是絕對的霸主，占據市場總份額的近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，近些年國內陸續(xù)誕生了一些FPGA設計公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場份額及技術方面和國際巨頭差距非常大，還遠未達到挑戰(zhàn)領先巨頭的實力，后面會對國內廠家做些分析。
下面再來簡要介紹FPGA設計，這里的FPGA設計不是研發(fā)FPGA芯片，而是用FPGA做產品設計。業(yè)界普遍認為FPGA設計門檻很高，相對軟件設計，差別在哪呢?現在FPGA的主流設計還是采用verilog設計(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)模的設計無法完成)。用matlab，C語言做算法設計，然后通過工具直接轉化為verilog的方式，喊了十幾年，到現在還未成為主流，說明工具在轉化verilog方面其效果還不如有經驗的FPGA人員寫的代碼。Verilog語言本身非常簡單，但FPGA設計的難點并不在語言，而是對FPGA器件內部資源和硬件的熟悉，你寫的語言能和你使用的目標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到最優(yōu)，這個難度就非常大了。筆者曾經牽頭編寫了某大型公司整個無線產品的coding style，有近200條規(guī)定，這些規(guī)定是幾十個FPGA開發(fā)人員多年經驗的積累，不按這個來，隨時可能是個坑。好的coding style，不僅程序寫得很美觀，可讀性好，也不容易出bug。一般來說，要成為一個有經驗的FPGA設計人員，起碼得從事相關工作5年以上，經歷過3個以上大型項目的鍛煉，而且需要有高手帶。筆者曾經面試過的大量的FPGA開發(fā)人員，基本上從研究所、小公司或者小團隊出來的，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，術業(yè)有專攻而已)。因此，如果想在FPGA設計領域做得很深入，國內著名通信設備廠家絕對是最好的選擇，沒有之一。當然，如果有IC設計經驗的人，轉為FPGA開發(fā)，則會快很多，而且基本功也很扎實，但需要補充行業(yè)、系統(tǒng)經驗。
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)而隨意改變硬件結構，而FPGA則可以根據設計者的需要改變硬件結構。因此，從靈活性來說，FPGA遠強于ASIC芯片，而且FPGA開發(fā)周期也比ASIC要短，因此在有些領域或者場景下，FPGA比ASIC有優(yōu)勢，比如通信領域，協議標準還不成熟時，各個廠家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出產品，而且高度靈活滿足了非標準接口的開發(fā)。再比如工業(yè)領域，很多功能也可能是非標的，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，為了保證靈活性，芯片里面預留了可配置邏輯，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域里面它很難競爭過ASIC，比如終端產品，它對低功耗要求比較高。在標準化的產品、功能里面，它不需要那么靈活，這也不是FPGA的菜。因為終端產品量非常大，而且這個世界上大部分東西都是有共性的，即可以標準、通用的可能性大，因此，FPGA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，決定了它不是在每個行業(yè)、產品都適合應用，標準化的，功耗要求很嚴格的，單價很低的產品都不適合，而這些恰恰是電子產品中占比大的，事實上，FPGA用得比較多的行業(yè)主要有通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設備、及高端安防等，以及航天和軍工(可靠性要求高，但量不大)，未來可能數據中心和AI會是一個爆發(fā)點，后面會做分析。
FPGA在各行業(yè)的應用分析
在芯片應用行業(yè)，計算機和通訊是最大的兩個領域，而對于FPGA來說，應用的第一大領域是通訊而不是計算機。PC機雖然數量及其巨大，但PC機里面沒有FPGA芯片，原因是PC機是一個高度標準化的產品，因此PC機里面所有芯片用ASIC實現不僅可行，而且是經濟的。而服務器、大型機里面開始逐步在使用FPGA，主要用于大數據的協處理，目前量還不大，遠遠無法和通信產品使用的FPGA相比，但未來潛力很大，后面會做進一步介紹。
通信產品可以從云、管、端層面來劃分，端不大適合使用FPGA，如前所述，因為FPGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時間吵得沸沸揚揚的lattice FPGA芯片用于三星和蘋果7的手機案例，實屬特例，千萬不要認為未來FPGA能大規(guī)模進軍消費電子，從而使得FPGA市場規(guī)模將成倍甚至數十倍的增加，至少短期內可能性不大。
通信行業(yè)講的云主要包括核心網及各種服務器中心，在大數據和云計算沒有規(guī)模應用之前，核心網設備里面基本沒有FPGA，因為核心網所處理的協議其實非常標準化，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(基站、基站控制、承載、傳輸等產品)中實現，這些標準變化快，各設備廠家為了搶占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，而這只有FPGA能做到。一般來講越往終端側靠近，設備的數量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網側用的FPGA數量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴。考慮量、價因素，最終還是基站側用的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。首先因為基站的量非常大，基站雖然和手機的量沒法比，但遠多于核心網數量，據不完全統(tǒng)計，全球存量基站有數千萬(5G部署后，可能會輕松破億)，每個基站里面有數塊到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，因為要處理復雜的物理協議、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，最多在初期原型驗證用，不會大規(guī)模發(fā)貨。最后，基站主要負責實現通信協議中物理層、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，尤其是協議未完全凍結時，最適合FPGA來處理，因為可以通過升級FPGA版本來應對協議變動，待協議完全凍結后，各設備廠家會逐步以ASIC來替代之前的FPGA，因為量達到一定程度后，ASIC的成本和功耗優(yōu)勢就體現出來了，而且大型設備商的ASIC化能力又非常強，因此FPGA在通信領域主要在初、中期應用比例高，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實。
除了通信領域，FPGA在安防和工業(yè)領域也存在大量應用。在安防領域，視頻的編解碼比如MPEG和H.26x等協議基本由專用ASIC實現，但是前端的數據采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來處理，因為安防也是一個巨大的產業(yè)，因此，FPGA的用量也是非常可觀的。工業(yè)領域主要用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應用的一個重要領域，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品。
FPGA未來幾年的發(fā)展趨勢
(1)技術層面
首先從技術上來看FPGA未來的發(fā)展，至少在幾年內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已經成熟商用，altera被Intel收購后逐步會切到Intel的工藝上面來，現在也推出基于Intel 14nm工藝的Stratix 10等高端芯片。xilinx下一代產品會升級到7nm，重點應該還是瞄準通信和可能出現的新興行業(yè)如大數據處理等。可以預見的是，未來5年內工藝升級仍然是FPGA發(fā)展的主要方向。
其次，要符合未來行業(yè)的應用。FPGA市場定位一定是以下游產業(yè)發(fā)展趨勢為依據的。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，因為FPGA在通信行業(yè)的市場占據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。曾經有一次lattice的全球Marketing VP 來我這里進行市場需求搜集，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下一個應用熱點，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。另外可能大數據也會起來，畢竟FPGA協同CPU進行數據處理已經在多家大公司得到了驗證，微軟bing團隊用于搜索引擎處理的著名論文更是讓業(yè)界認同FPGA在數據處理中的優(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。因為AI和行業(yè)密切相關，這決定了AI行業(yè)會有大量的中小公司，不像通訊設備行業(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，即使強大到如BAT，在其利潤非常可觀的情況下，也未必會很快啟動自己的ASIC設計來替代FPGA，因此如果AI行業(yè)中會大規(guī)模使用FPGA，FPGA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分領域遭遇到中小公司強有力的競爭，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取暖，豐富自己的產品線以進軍廣泛的市場，如avago收購博通成立新的博通。還有的收購是為了增強協同效應，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在云計算、大數據處理方面的協同增效，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，雖然在云計算、大數據處理方面xilinx也推出相應的解決方案，而且也有下游巨頭落地的案例，但是如果Intel 在市場上占據了主導，它一定會通過各種方式給xilinx設置相應的門檻，比如FPGA和Cpu之間自定義接口，或者牽頭制定相關的協議標準等。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的過來，而且還要有相關性，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，受通信市場運營商建設周期的影響，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遙遙領先，約占市場份額的90%左右，為第一梯隊。Microsemi和lattice為第二梯隊，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這個細分領域和國外巨頭的差距遠遠比其他領域要大，原因很多，其中很重要的一點是FPGA技術門檻非常高，核心技術只掌握在及其少數的公司手上，而且xilinx和atlera手頭握有6000多項專利，對后進者形成很高的技術壁壘，國內廠商要么和國外巨頭專利交叉授權，要么花錢買專利，但當前我們并沒有多少專利可以和xilinx和altera進行交叉許可，購買難度更大，這不僅僅是資金的問題。從canyon bridge收購lattice被美國商務部否決來看，凡涉及到美國國家安全的高新技術公司，我國是不可能通過收購來獲得的，lattice在行業(yè)內充其量是第二團隊尚且如此，業(yè)界領先的企業(yè)我國更難獲得。因此，國內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前國內發(fā)展FPGA的前景。
(1)首先說優(yōu)勢。相比較xilinx和altera，國產FPGA廠商目前基本沒有絕對優(yōu)勢，只有比較優(yōu)勢，比如起點高，再也不用從微米級技術開始做起，一開始就從幾十納米進入，工藝差距可以縮小到2-3代的水平。另外，中國是FPGA芯片的應用大國，國產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、技術產品到人才及市場品牌等，國產FPGA廠商都和國外巨頭存在很大的差距。
(3)再說機會，當前中國廠商面臨的機會比較多，因為從國家層面來看已經把FPGA列為國家戰(zhàn)略芯片，政府在這個領域的投入可能會逐步增加，雖然政府直接主導這個產業(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，隨著中國經濟的發(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領軍人才，對一個企業(yè)的發(fā)展至關重要。最后，隨著人工智能和大數據等新興行業(yè)的發(fā)展，FPGA市場容量可能會出現大規(guī)模的增長。
(4)最后說威脅。說道威脅，專利是一個。當中國企業(yè)還很弱小，遠遠對國際巨頭構不成競爭的時候，這個風險還不大，如果已經形成競爭關系的時候，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廠商要苦練內功，在專利和技術方面踏踏實實做好積累，以應對將來可能出現的專利戰(zhàn)以及國際化，否則即使能做出產品，可能也走不遠。
總體來看，雖然目前中國在FPGA這個領域比國外的主流廠商還存在很大差距，但是考慮到中國經濟的發(fā)展和綜合國力的增強以及政府對芯片產業(yè)的高度重視，還有這個市場可能出現的大幅增長，中國的國產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)、高云半導體等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已經在商用，有的在大公司進行樣品認定和試驗項目，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款產品，基本覆蓋了lattice 70%~80%左右的產品，特別是小蜜蜂系列，對應lattice 的XO2/XO3，對其形成強有力的替代競爭優(yōu)勢。另外，高云28nm的產品已經在研發(fā)中，預計2019年左右推出。目前高云FPGA芯片累計出貨量即將達到200萬片，對于一個成立才3年左右的公司，這個發(fā)展是相當迅速的，如果芯片的良率在應用中得到逐步提高，芯片可靠性得到了用戶的認可，這將會對國外廠商產生很大的沖擊。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嵌MCU的SOC FPGA，向國外廠家的中低端產品發(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，對國外同類產品進行替代，在行業(yè)站穩(wěn)了腳跟之后，開始持續(xù)改進，不斷提升自己的技術、產品、服務以及專利積累等，到了一定階段之后可以在細分領域里面創(chuàng)造一些需求，以不斷向高端進軍，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->創(chuàng)造需求->高端引領” 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。
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