FPGA產(chǎn)業(yè)將面臨怎樣的新格局和新走向？

2020年下半年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最主要的關(guān)鍵詞就是并購(gòu)。

從2020年7月至今，已經(jīng)宣布的幾起收購(gòu)案總交易額已經(jīng)達(dá)到1150億美金，從IC Insights統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，目前為止已經(jīng)超過了2015年的M&A交易額總量1077億美金。當(dāng)然由于目前這5起巨量并購(gòu)中的多數(shù)都還需要通過各國(guó)監(jiān)管部門的審批，但“全家桶”式的多樣化組合、構(gòu)建業(yè)界巨型生態(tài)的主流打法已現(xiàn)端倪。

并購(gòu)1：2020年7月，美國(guó)模擬芯片巨頭亞諾德（ADI）斥資210億美元收購(gòu)其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手美國(guó)美信公司（Maxim）。

并購(gòu)2：2020年9月，美國(guó)半導(dǎo)體廠商英偉達(dá)宣布以400億美元的價(jià)格收購(gòu)ARM，后者為全球最大的半導(dǎo)體IP供應(yīng)商。

并購(gòu)3：2020年10月，韓國(guó)SK海力士宣布90億美元收購(gòu)美國(guó)半導(dǎo)體廠商英特爾的NAND 閃存芯片業(yè)務(wù)。

并購(gòu)4：2020年10月27日，美國(guó)半導(dǎo)體廠商AMD宣布以350億美元全股票收購(gòu)美國(guó)半導(dǎo)體廠商賽靈思，后者為全球最大的FPGA獨(dú)立供應(yīng)商。自此，Xilinx和Altera這對(duì)馳騁疆場(chǎng)、相愛相殺多年的FPGA雙雄，終被兩大CPU巨頭收入囊中。

并購(gòu)5：2020年10月29日，美國(guó)半導(dǎo)體廠商Marvell宣布將以 100 億美元收購(gòu)光通信及數(shù)據(jù)互聯(lián)領(lǐng)域的美國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)Inphi。

本文與大家探討，當(dāng)前全球已進(jìn)入疫后新常態(tài)，面對(duì)未來風(fēng)云詭譎的半導(dǎo)體市場(chǎng)，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)將面臨怎樣的新格局和新走向？

關(guān)于FPGA的來龍去脈

在所有的集成電路產(chǎn)品中，F(xiàn)PGA這種器件可謂骨骼輕奇。

FPGA的定義及物理結(jié)構(gòu)

FPGA，全名現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FieldProgrammable Gate Array），基于可編程器件（PAL、GAL）發(fā)展而來，是半定制化、可編程的集成電路。1984年，賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人Ross Freeman發(fā)明FPGA集成電路結(jié)構(gòu)。全球第一款商用FPGA芯片是賽靈思XC4000系列FPGA產(chǎn)品。

▲FPGA物理結(jié)構(gòu)

FPGA芯片主要由三部分組成，分別為IOE（inputoutput element，輸入輸出單元）、LAB（logicarray block，邏輯陣列塊，賽靈思定義為可配置邏輯塊CLB）以及Interconnect（內(nèi)部連接線）。

FPGA芯片按固定模式處理信號(hào)，可執(zhí)行新型任務(wù)（計(jì)算任務(wù)、通信任務(wù)等，相對(duì)專用集成電路（如ASIC芯片）更具靈活性，相對(duì)傳統(tǒng)可編程器件可添加更大規(guī)模電路數(shù)量以實(shí)現(xiàn)多元功能。FPGA芯片在實(shí)時(shí)性（數(shù)據(jù)信號(hào)處理速度快）、靈活性等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域占據(jù)不可替代地位，同時(shí)具有開發(fā)難度高的特點(diǎn)。

FPGA有什么優(yōu)點(diǎn)？

設(shè)計(jì)靈活：屬于硬件可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器。

兼容性強(qiáng)：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計(jì)算任務(wù)。

并行計(jì)算：FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應(yīng)數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能。

適用性強(qiáng)：是專用電路中開發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)最低的器件之一（部分客戶無需投資研發(fā)即可獲得適用FPGA芯片）。

地位提升：早期在部分應(yīng)用場(chǎng)景是ASIC芯片的批量替代品，近期隨微軟等頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心規(guī)模擴(kuò)大，F(xiàn)PGA芯片應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

FPGA VS CPU、GPU和ASIC

CPU為通用型器件，F(xiàn)PGA架構(gòu)相對(duì)CPU架構(gòu)偏重計(jì)算效率，依托FPGA并行計(jì)算處理視 覺算法可大幅提升計(jì)算速率，降低時(shí)延。

▲FPGA與CPU相比計(jì)算速率更高

GPU作為圖形處理器件，計(jì)算峰值較高。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域（多指令平行處理單一數(shù)據(jù)），F(xiàn)PGA相對(duì)GPU在靈活性、功耗方面更勝一籌。

ASIC芯片專用度高，開發(fā)流程非重復(fù)成本（流片）極高。5G商用普及初期，F(xiàn)PGA可依托靈活性搶占市場(chǎng)，但規(guī)?；慨a(chǎn)場(chǎng)景下，ASIC芯片更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

▲FPGAVS ASIC

FPGA技術(shù)解析

技術(shù)分類

FPGA廠商主要提供基于兩種技術(shù)類型的FPGA芯片：Flash技術(shù)類、SRAM技術(shù)類（StaticRandom-access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。兩類技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面編程功能，具備較高計(jì)算性能，系統(tǒng)門陣列密度均可超過1兆。

▲FPGA的兩種技術(shù)類型

這兩種架構(gòu)的核心區(qū)別在于：基于Flash的可編程器件具備非易失性特征，即電流關(guān)閉后，所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不消失?；赟RAM技術(shù)的FPGA芯片不具備非易失性特征，應(yīng)用范圍更廣泛。

FPGA產(chǎn)品在各個(gè)市場(chǎng)取得成功的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是FPGA技術(shù)的創(chuàng)新以及其在市場(chǎng)上的使用方式。嵌入式FPGA（eFPGA） IP是FPGA產(chǎn)品中的一個(gè)新亮點(diǎn)。在過去幾年中，eFPGA IP市場(chǎng)的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整個(gè)FPGA市場(chǎng)的增長(zhǎng)率。更重要的是，諸如自動(dòng)駕駛、智能存儲(chǔ)、嵌入式和邊緣智能應(yīng)用等全新應(yīng)用都開始利用eFPGA IP技術(shù)。

▲eFPGA解決方案架構(gòu)

以Achronix的SpeedcoreeFPGA半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）為代表，eFPGA正在為智能設(shè)備帶來全新的成本結(jié)構(gòu)。這使得采用FPGA邏輯陣列的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）和專用芯片（ASIC）具有更高的成本效益、更高的數(shù)據(jù)帶寬以及面向未來的功能。

設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升伴隨設(shè)備成本下降的經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)eFPGA產(chǎn)生技術(shù)需求。

eFPGA的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

更優(yōu)質(zhì)：eFPGA IP核及其他功能模塊的SoC設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)FPGA嵌入ASIC解決方案，在功耗、性能、體積、成本等方面表現(xiàn)更優(yōu)。

更方便： 下游應(yīng)用市場(chǎng)需求更迭速度快，eFPGA可重新編程特性有助于設(shè)計(jì)工程師更新SoC，產(chǎn)品可更長(zhǎng)久占有市場(chǎng)，利潤(rùn)、收入、盈利能力同時(shí)大幅提升。eFPGA方案下SoC可實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，一方面迅速更新升級(jí)以支持新接口標(biāo)準(zhǔn)，另一方面可快速接入新功能以應(yīng)對(duì)細(xì)分化市場(chǎng)需求。

更節(jié)能：SoC設(shè)計(jì)嵌入eFPGA技術(shù)可在提高總性能的同時(shí)降低總功耗。利用eFPGA技術(shù)可重新編程特性，工程師可基于硬件，針對(duì)特定問題對(duì)解決方案進(jìn)行重新配置，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)性能、降低功耗。

應(yīng)用分析

? 計(jì)算任務(wù)

FPGA可用于處理多元計(jì)算密集型任務(wù)，依托流水線并行結(jié)構(gòu)體系，F(xiàn)PGA相對(duì)GPU、CPU在計(jì)算結(jié)果返回時(shí)延方面具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)。矩陣運(yùn)算、機(jī)器視覺、圖像處理、搜索引擎排序、非對(duì)稱加密等類型的運(yùn)算都屬于計(jì)算密集型任務(wù)。這些運(yùn)算任務(wù)可由CPU卸載至FPGA執(zhí)行。

▲CPU、GPU、FPGA、ASIC應(yīng)用于

計(jì)算密集型任務(wù)數(shù)量級(jí)比較

? 通信任務(wù)

FPGA用于處理通信密集型任務(wù)不受網(wǎng)卡限制，在數(shù)據(jù)包吞吐量、時(shí)延方面表現(xiàn)優(yōu)于CPU，時(shí)延穩(wěn)定性較強(qiáng)。對(duì)稱加密、防火墻、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等運(yùn)算都屬于通信密集型計(jì)算任務(wù)，相對(duì)計(jì)算密集數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度較低，易受通信硬件設(shè)備限制。

▲CPU、GPU、FPGA、交換機(jī)應(yīng)用于

計(jì)算密集型任務(wù)時(shí)延穩(wěn)定性

? 部署方式

FPGA部署包括集群式、分布式等，逐漸從中心化過渡至分布式，不同部署方式下，服務(wù)器溝通效率、故障傳導(dǎo)效應(yīng)表現(xiàn)各異。

共享部署：分享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署模式下，F(xiàn)PGA加速器有助于降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，維護(hù)數(shù)據(jù)中心時(shí)延穩(wěn)定，顯著提升虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能。

加速層：依托高帶寬、低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA可組成網(wǎng)絡(luò)交換層與服務(wù)器軟件之間的數(shù)據(jù)中心加速層，并隨分布式加速器規(guī)模擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)性能超線性提升。

云計(jì)算：FPGA技術(shù)無需依靠指令、無需共享內(nèi)存，在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)中提供低延遲流式通信功能，可廣泛滿足虛擬機(jī)之間、進(jìn)程之間加速需求。

FPGA的市場(chǎng)格局

全球FPGA市場(chǎng)早期由美國(guó)兩大巨頭（賽靈思、Altera） 高度壟斷，經(jīng)市場(chǎng)一系列并購(gòu)行為及初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)影響，國(guó)際市場(chǎng)第一梯隊(duì)陣營(yíng)擴(kuò)容（包括賽靈思、Intel、Lattice、Microsemi、Achronix、Flexlogic、Quicklogic等）。

▲2018年全球FPGA芯片市場(chǎng)份額

兩家FPGA領(lǐng)導(dǎo)廠商相繼被CPU巨頭收購(gòu)，表明了FPGA技術(shù)作為數(shù)據(jù)加速引擎的重要性，以及其在現(xiàn)代系統(tǒng)中所提供的高價(jià)值。業(yè)界意識(shí)到基于CPU的系統(tǒng)需要更高的性能，而FPGA正是加速這些應(yīng)用的理想解決方案。

在當(dāng)今的智能時(shí)代， FPGA產(chǎn)品比中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、專用集成電路（ASIC）以及其他任何的硬件加速技術(shù)都有更多的機(jī)會(huì)。由于FPGA產(chǎn)品具有可編程性、并行處理功能和高能效的特點(diǎn)，所以非常適用于嵌入式應(yīng)用、邊緣計(jì)算、云/數(shù)據(jù)中心、5G、汽車、高性能計(jì)算等眾多應(yīng)用市場(chǎng)。

? 5G通信體系建設(shè)提高FPGA芯片需求

通信場(chǎng)景是FPGA芯片在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)景（占比約40%），隨5G通信技術(shù)發(fā)展、硬件設(shè)備升級(jí)（基站天線收發(fā)器創(chuàng)新），F(xiàn)PGA面臨強(qiáng)勁市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)。5G通信規(guī)?；逃迷诩?，推動(dòng)FPGA芯片用量提升、價(jià)格提升空間釋放。

? 自動(dòng)駕駛規(guī)?；逃锰嵘慨a(chǎn)需求

自動(dòng)駕駛領(lǐng)域ADAS系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、車內(nèi)通信系統(tǒng)、娛樂信息系統(tǒng)等板塊對(duì)FPGA芯片產(chǎn)生增量需求，全球頭部FPGA廠商都在積極布局自動(dòng)駕駛賽道。

基于FPGA的自動(dòng)泊車系統(tǒng)

廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)化項(xiàng)目 醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)視覺等領(lǐng)域?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)需求增強(qiáng)，且面臨神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)演化帶來的挑戰(zhàn)。相對(duì)CPU、GPU，F(xiàn)PGA技術(shù)更適應(yīng)非固定、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，與機(jī)器學(xué)習(xí)融合度更深。

▲FPGA應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)

中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

亞太地區(qū)市場(chǎng)是FPGA的主要應(yīng)用市場(chǎng)，占全球市場(chǎng)份額超過40%。截至2018年底，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模接近140億元。5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)中國(guó)FPGA市場(chǎng)擴(kuò)張，刺激增量需求釋放。預(yù)計(jì)2023年，中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模將接近460億元。

▲中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模

當(dāng)前，全球FPGA芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)高度集中，頭部廠商占領(lǐng)“制空權(quán)”。中國(guó)FPGA芯片行業(yè)發(fā)展起步較晚，呈現(xiàn)藍(lán)海市場(chǎng)特征，本土企業(yè)主攻中低密度市場(chǎng)，在高端“億門陣列” 級(jí)細(xì)分市場(chǎng)尚不具備與國(guó)際頭部廠商分庭抗禮的實(shí)力。受制造能力、封測(cè)工藝、 IP資源等因素影響，中國(guó)FPGA芯片企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力亟待提升。

FPGA設(shè)計(jì)人才實(shí)力匱乏 中國(guó)FPGA領(lǐng)域人才儲(chǔ)備約為美國(guó)相應(yīng)人才儲(chǔ)備1/10 。根據(jù)中國(guó)國(guó)際人才交流基金會(huì)等機(jī)構(gòu)發(fā)布的《中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書》顯示，截至2018年底，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存量人才約40萬人，該產(chǎn)業(yè)人才需求約于2020年突破70萬人，存在約30萬人以上人才缺口。在FPGA板塊，美國(guó)頭部廠商Intel、賽靈思、Lattice等及高校和研究機(jī)構(gòu)相關(guān)人才近萬人。中國(guó)FPGA頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技等研發(fā)人員儲(chǔ)備平均不足200人，產(chǎn)業(yè)整體人才團(tuán)隊(duì)不足千人。

行業(yè)發(fā)展起步晚，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)缺失 中國(guó)FPGA行業(yè)于2000年起步，美國(guó)則具備自20世紀(jì)80年代研發(fā)起步的背景。2010年，中國(guó)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。美國(guó)高校與芯片廠商聯(lián)動(dòng)緊 密，將大量技術(shù)輸送給企業(yè)，相較而言，中國(guó)企業(yè)缺乏與高校等研究機(jī)構(gòu)合作經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)不足，行業(yè)現(xiàn)有核心人才多從海外引進(jìn)。

研發(fā)實(shí)力匱乏制約企業(yè)成長(zhǎng) FPGA行業(yè)進(jìn)入門檻高，中國(guó)頭部企業(yè)較難取得后發(fā)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)階段，賽靈思已進(jìn)入7納米工藝億門級(jí)高端FPGA產(chǎn)品研發(fā)階段，中國(guó)頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等啟動(dòng) 28納米工藝千萬門級(jí)（7，000萬）中高密度FPGA研發(fā)工作，與全球頂尖水平相差約2代至3代，亟需人才資源支持。

在國(guó)家自主可控、自主創(chuàng)新的政策推動(dòng)下，為進(jìn)一步引導(dǎo)FPGA行業(yè)積極發(fā)展，國(guó)家政策部門整合行業(yè)、市場(chǎng)、用戶資源，為中國(guó)集成電路企業(yè)向國(guó)際第一梯隊(duì)目標(biāo)發(fā)展打造政策基礎(chǔ)，從市場(chǎng)需求、供給、產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)、價(jià)值鏈等層面出發(fā)，出臺(tái)多項(xiàng)利好政策，為FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造良好的發(fā)展環(huán)境。

以美國(guó)Achronix公司為代表的FPGA產(chǎn)業(yè)初創(chuàng)企業(yè)的發(fā)展歷史講訴了如何實(shí)現(xiàn)FPGA創(chuàng)新和市場(chǎng)領(lǐng)先的成功故事。Achronix相繼推出了eFPGA IP、2D NoC等創(chuàng)新技術(shù)理念，歷時(shí)15年的發(fā)展，終能和兩大FPGA巨頭一較高下，這其中的經(jīng)驗(yàn)和思路值得國(guó)產(chǎn)FPGA公司借鑒。道阻且長(zhǎng)，中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)仍須努力！

審核編輯 ：李倩