Xilinx和Intel之外,還有誰掌握了"萬能芯片"的密鑰？

集成電路被譽(yù)為高端制造業(yè)的“皇冠明珠”，而在集成電路里，FPGA又被稱為“萬能芯片”，作為可定制的芯片，它的靈活性和高效率是其他類型芯片無法比擬的。多年來，F(xiàn)PGA技術(shù)被僅有的幾家大公司所壟斷，但時(shí)下，這種狀況正在悄悄改變，國內(nèi)的公司也在崛起，今天給大家推薦這篇給出了FPGA廠商如何做大拓展新業(yè)務(wù)的思考，同時(shí)盤點(diǎn)了國外國內(nèi)的十多家老牌和新創(chuàng)FPGA企業(yè)。

FPGA：難守一畝三分地

由于傳統(tǒng)的FPGA市場主要分布在通訊、軍工和芯片原型驗(yàn)證等小規(guī)模領(lǐng)域中，因此市場容量相對較小，但開發(fā)是使用難度卻不低，因此一直處在一個(gè)水聲不大的環(huán)境中，即使是占領(lǐng)FPGA市場主份額的Xilinx和Altera（被Intel收購）兩大巨頭日子也不那么好過。如果守著自己的一畝三分地，沒準(zhǔn)哪天就有人來攻城略地一番，Achronix就是一個(gè)活脫脫例子，所以是要考慮將蛋糕“做大”的時(shí)候了。

如何做大？尋找風(fēng)向標(biāo)

近些年AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的崛起似乎在給FPGA一些啟示，按照發(fā)展歷程來說，自Xilinx在1984年創(chuàng)造出第一款FPGA以來，F(xiàn)PGA就一直扮演著協(xié)處理器的角色，是否要沖破該角色，來分享芯片市場、系統(tǒng)市場的一抹甜味兒？顯然已經(jīng)有了答案。

FPGA（Field Programmable Gate Array）的發(fā)展和所有的科學(xué)技術(shù)都一樣，離不開兩個(gè)驅(qū)動力，即相關(guān)領(lǐng)域各大公司的研發(fā)以及各大高校和科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)研究，在滿足短期實(shí)用性輸出的同時(shí)，又覆蓋未來長期的技術(shù)攻克與突破。

就科研機(jī)構(gòu)來說，F(xiàn)PGA有著自己的圈子，而這個(gè)圈子中流行著一個(gè)一年一度大會——“FPGA國際研討會”（簡稱ISFPGA），這個(gè)從1993年舉辦至今的大會一直是FPGA領(lǐng)域的旗艦級頂會，沒有之一。而在ISFPGA上發(fā)表的文章，都代表著FPGA最前沿和最優(yōu)秀的研究成果，也被業(yè)界人士看成是預(yù)測FPGA今后發(fā)展方向的風(fēng)向標(biāo)。

最近的一期ISFPGA會議是在2019年的2月份，在諸多嶄新科研成果的基礎(chǔ)上，集中體現(xiàn)了兩大研究方向，即：

其一：人工智能+，比如FPGA微架構(gòu)、FPGA編程工具與編程語言，以及FPGA在AI+中的各種應(yīng)用等。

有二：FPGA的高層次綜合（High-Level Synthesis，HLS），也就是使用高層語言，如C++/OpenCL/Python等，對FPGA進(jìn)行有效的編程和使用。

Overview of the HeteroCL framework | 圖源：ISFPGA

而從各大公司的角度來說，芯片制造技術(shù)難以持續(xù)縮進(jìn)，多核CPU性能的提高越來越艱難。這給FPGA各大廠商帶來了機(jī)遇，或間接推動FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一些新的形式迸發(fā)出來，當(dāng)然這些形式和科研機(jī)構(gòu)之前的某些預(yù)期也是不言而喻的，大多集中在計(jì)算加速等新興市場上，Bing加速算是近年來的一個(gè)引子，Mac Pro配FPGA加速卡則算是另一個(gè)實(shí)例。

進(jìn)軍AI芯片領(lǐng)域，F(xiàn)PGA獨(dú)具優(yōu)勢

AI芯片領(lǐng)域已成紅海，如何定位自己？就目前的發(fā)展方向而言，F(xiàn)PGA有兩條路，一條是成為像GPU一樣從某個(gè)領(lǐng)域的專用器件轉(zhuǎn)型成被廣泛使用的“基礎(chǔ)設(shè)施”，有很多贊同這個(gè)想法聲音，包括Intel。而另一條路則是以靈活、低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢與ASIC一爭高下。

FPGA -> GPU， eFPGA雛形?

近年來，數(shù)據(jù)量和可訪問度迅速增長，深度學(xué)習(xí)被業(yè)界大為關(guān)注，然而只有更好的硬件加速條件，才能滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)和模型規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大的需求。現(xiàn)有的解決方案使用圖形處理單元（GPU）集群作為通用計(jì)算圖形處理單元（GPGPU）。而FPGA的高層次綜合又給出了另一種解決方案，能夠在諸如GPU的固定架構(gòu)之外進(jìn)行模型優(yōu)化探究。同時(shí)，F(xiàn)PGA在單位能耗下性能更強(qiáng)，這對大規(guī)模服務(wù)器部署或資源有限的嵌入式應(yīng)用的研究而言至關(guān)重要。

FPGA & ASIC相愛相殺？

“隨著AI算法的進(jìn)一步成熟固化，AI芯片終會走向ASIC?！边@算是一種主流的說法。但AI算法迭代、應(yīng)用創(chuàng)新的速度將持續(xù)很長一段時(shí)間，是FPGA發(fā)揮其靈活、可應(yīng)變的大好舞臺，是ASIC定性前的演練佳侶。

國內(nèi)外形勢

據(jù)Research and Markets 預(yù)測，從2018年到2023年，F(xiàn)PGA 將是年復(fù)合增長率最高的細(xì)分市場，數(shù)據(jù)中心加速器市場預(yù)計(jì)將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到49.7%。而這一高速增長的驅(qū)動力就來自于計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、傳感器處理等企業(yè)級工作負(fù)載加速應(yīng)用對 FPGA 的采用。

另據(jù)MRFR統(tǒng)計(jì)2018年全球FPGA市場規(guī)模為60億美元左右，隨著AI+5G的應(yīng)用逐步展開，其市場規(guī)模有望在2025年達(dá)到125億美元，年復(fù)合增長率為10.22%。其中在亞太地區(qū)，尤其是在中國，由于新興基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)用的鋪開，F(xiàn)PGA的復(fù)合增長率有望高于其他地區(qū)，成為FPGA重要的增量市場。

2013年~2025年全球FPGA市場規(guī)模（單位：百萬美元）| 數(shù)據(jù)來源：MRFR

在市場前景可見的情況下，國內(nèi)外各大廠商摩拳擦掌，紛紛推出了新產(chǎn)品，并從芯片廠商逐步向系統(tǒng)廠商轉(zhuǎn)型，以獲取更大的蛋糕。

國際市場

聚焦芯片級設(shè)計(jì)，探索FPGA在云端、邊緣計(jì)算領(lǐng)域的新突破，這是Xilinx和Intel（Altera）這兩家國際巨頭們的正在做的事情。而Microsemi、Lattice、Achronix、QuickLogic Corp等二級市場廠商來說，尋求與各個(gè)板級或者系統(tǒng)級解決方案廠商的合作是他們的最佳選擇。

FPGA主要廠商及其市場份額占有率 | 數(shù)據(jù)來源：MRFR

Xilinx

Xilinx公司成立于 1984年，Xilinx首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）這一創(chuàng)新性的技術(shù)，并于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品，是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商，也是目前排名第一的FPGA解決方案提供商。

產(chǎn)品系列包括：

Spartan系列：定位于低端市場，目前最新器件為采用28nm工藝的Spartan7；

Artix系列：定位于低端Spartan和高端Kintex之間的中端市場，目前在售的主流產(chǎn)品為采用28nm工藝的Artix-7；

Kintex系列：定位于高端市場，包含有28nm工藝的Kintex7系列，20nm的Kintex7 Ultrascale系列，還有16nm的Kintex7 Ultrascale+系列；

Virtex系列：定位于高端市場，包含有采用28nm工藝的Virtex7系列，20nm的Virtex7 Ultrascale系列，還有16nm的Virtex7 Ultrascale+系列；

全可編程 SoC 和 MPSoC系列：包括有Zynq-7000和Zynq UltraScale+ MPSoC系列FPGA、內(nèi)嵌有ARM Cortex系列CPU；

AI Engine系列：Versal ACAP、Alveo系列等。

Intel（Altera）

與Xilinx齊名的FPGA供應(yīng)商，2015年被CPU屆的大佬Intel收購。

產(chǎn)品系列包括：

MAXII系列：實(shí)質(zhì)上是CPLD；

Cyclone系列：定位于中低端市場，類似于Xilinx 公司的Spartan系列和Artix系列，最新產(chǎn)品為Cyclone10。

Stratix系列：定位于高端市場，與Xilinx的Kintex、Virtex系列競爭，最新產(chǎn)品為Stratix10；

Arria系列：SOC系列FPGA, 內(nèi)置ARM Cotex A9的核；

Intel Arria 10系列：支持DDR4存儲器接口的FPGA，硬件設(shè)計(jì)人員可以使用Quartus II 軟件v14.1，在Arria 10 FPGA和SoC設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)666 Mbps DDR4存儲器數(shù)據(jù)速率；

Agilex系列：面向數(shù)據(jù)中心等高端市場，采用10nm工藝，異構(gòu) 3D 系統(tǒng)級封裝 (SiP) 技術(shù)的一款FPGA產(chǎn)品。

Microsemi

并購了Actel，專注于美國軍工和航空領(lǐng)域，產(chǎn)品為反熔絲結(jié)構(gòu)FPGA和基于Flash的FPGA為主，具有抗輻照和可靠性高的優(yōu)勢，最近Microsemi又被Microchip（微芯）并購。

產(chǎn)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-DensityFPGAs三個(gè)高、中、低端系列。

特殊領(lǐng)域應(yīng)用系列：如基于SOC的Mi-V RISC-V Ecosystem和SmartFusion2 SoC FPGA。

Lattice

CPLD的發(fā)明者，著名的可編程邏輯解決方案供應(yīng)商，僅次于Xilinx和Altera。

產(chǎn)品系列包括：

ECP系列：為Lattice自己的開發(fā)的FPGA系列，提供低成本，高密度的FPGA解決方案，而且還有高速Serdes等接口，適用于民品解決方案居多；

ICE系列：為收購SilioncBlue的超低功耗FPGA，曾用在iPhone7里面，實(shí)現(xiàn)了FPGA首次在消費(fèi)類產(chǎn)品中應(yīng)用；

Mach系列：替代CPLD，實(shí)現(xiàn)粘合邏輯的最佳選擇。

QuickLogic Corp

QuickLogicCorporation 誕生于1988年，是一家超低功耗嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列 (eFPGA) IP、多核語音識別 SoC、顯示器橋接和可編程序邏輯解決方案開發(fā)公司。

eFPGA產(chǎn)品系列包括：采用65nm和40nm工藝的ArcticPro系列和采用GF-22工藝的ArcticPro 2 eFPGA。

Achronix

Achronix 公司作為后起之秀，早期推出了eFPGA IP，但是限于IP產(chǎn)品的變現(xiàn)速度太慢，隨后推出了FPGA芯片，今年5月發(fā)布的新品叫Speedater7t。

國內(nèi)市場

目前國產(chǎn)FPGA還處在起步階段，產(chǎn)品主要是以40nm、55nm為主，國產(chǎn)替代仍是FPGA行業(yè)投資主線。如何突破、如何創(chuàng)新一直是困擾國內(nèi)FPGA公司的難題。做中低端產(chǎn)品，在同樣工藝節(jié)點(diǎn)下如何有效地解決芯片成本、性能和功耗問題是關(guān)鍵。做高端產(chǎn)品，如何解決產(chǎn)品的可靠性問題以及如何開發(fā)高效能的軟件工具是關(guān)鍵。問題重重，但不能停止耕耘，還得要生存下去，甚至夢想有一天能超越國際巨頭，而AI、5G的發(fā)展也許是一個(gè)契機(jī)。下面羅列幾個(gè)國內(nèi)主要的FPGA廠商，看看他們都在做些什么？

高云半導(dǎo)體

高云半導(dǎo)體成立于2014年，是以55nm級別以上的FPGA芯片為主導(dǎo)產(chǎn)品的集成電路企業(yè)，定位中高端和中等規(guī)模的FPGA芯片。高云的IC團(tuán)隊(duì)較為優(yōu)秀，但Application/IP以及EDA工具還需要進(jìn)一步強(qiáng)化。

主要產(chǎn)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產(chǎn)品、GW1NRF系列藍(lán)牙FPGA產(chǎn)品。

安路科技

安路科技成立于2011年，是一家提供可編程邏輯器件（FPGA）、可編程系統(tǒng)級芯片、定制化嵌入式eFPGA IP、及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)工具和系統(tǒng)解決方案的廠商。

主要產(chǎn)品系列包括：面向高端市場的Phoenix（鳳凰）系列、面向中端市場的Eagle（獵鷹）和面向低端市場的ELF（小精靈）系列。

智多晶

智多晶微電子成立于2012年，是由海外留學(xué)生歸國創(chuàng)設(shè)的高科技企業(yè)是一家提供可編程邏輯電路（FPGA與CPLD）集成電路制造和應(yīng)用供應(yīng)商。

主要產(chǎn)品系列包括：Seagull系列CPLD、Seagull128、Seagull256。

紫光同創(chuàng)

紫光同創(chuàng)系紫光集團(tuán)下屬紫光國微的子公司，從事可編輯邏輯器件（FPGA、CPLD等）研發(fā)與銷售工作，主要面向通信、信息安全、AI、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

主要產(chǎn)品系列包括：Titan系列的PGT180H和Logos系列的PGL22G兩款。

成都華微

成都華微電子科技有限公司，是國家909工程企業(yè)，隸屬于中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，由中國華大集成電路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司、成都成電大學(xué)科技園有限公司、成都創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)投資有限公司、成都華微員工團(tuán)隊(duì)四家股東共同投資創(chuàng)辦。

主要產(chǎn)品型號包括：HWD1472 / 14144 / 14288/750L / 4005E / 4010E / 4013E、HWDV100 / 300 / 600、HWD1000 / 2V1000 / 3000 / 6000。

上海復(fù)旦微電子

上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司是國內(nèi)從事超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、開發(fā)和提供系統(tǒng)解決方案商，是國內(nèi)比較少的自主研發(fā)FPGA的研究機(jī)構(gòu)。但其產(chǎn)品主要供應(yīng)軍方，因此具體消息公布較少。

京微齊力

京微雅格實(shí)際上有兩條產(chǎn)品線，面向中低端市場的金山系列收購美國CSwitch的產(chǎn)品線，面向高速通信市場的公司。

主要產(chǎn)品型號包括：M7華山系列、HR3純FPGA低功耗系列、M5金山系列、M1衡山系列。

敖格芯

歷經(jīng)三年多的發(fā)展，敖格芯已經(jīng)積累了5個(gè)不同的產(chǎn)品線，分別針對CPLD、LoT、FPGA、FPGA+CPU、SoC市場。

771/772所

目前中國航天航空級FPGA芯片供貨大戶是771、772這兩所，這兩家都有FPGA事業(yè)部和流片的生產(chǎn)線。

寫在最后

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬、開發(fā)者生態(tài)的豐富，編程語言等高層次綜合的演進(jìn)，F(xiàn)PGA的形式將愈發(fā)多彩，市場將越來越廣泛。

FPGA未來會怎樣？肯定不是簡單的邏輯規(guī)模擴(kuò)大和速度提升。

對于國際巨頭來說，盡早布局云端FPGA生態(tài)，著手邊緣計(jì)算、搭配其他應(yīng)用組成兼具靈活度和性能的SoC是他們亟需或已經(jīng)在做的事情。

對于國內(nèi)FPGA企業(yè)來說，抓住AI+5G的機(jī)遇，腳踏實(shí)地，通過人才到技術(shù)的落實(shí)，不斷縮小與巨頭間的差距是首要任務(wù)。

審核編輯：劉清