從FPGA透視中美芯片的差距

FPGA的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

FPGA由6部分組成，分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等。

每個(gè)單元簡介如下：

1.可編程輸入/輸出單元（I/O單元）

目前大多數(shù)FPGA的I/O單元被設(shè)計(jì)為可編程模式，即通過軟件的靈活配置，可適應(yīng)不同的電器標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性;可以調(diào)整匹配阻抗特性，上下拉電阻;可以調(diào)整輸出驅(qū)動(dòng)電流的大小等。

2.基本可編程邏輯單元

FPGA的基本可編程邏輯單元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）組成的，查找表完成純組合邏輯功能。FPGA內(nèi)部寄存器可配置為帶同步/異步復(fù)位和置位、時(shí)鐘使能的觸發(fā)器，也可以配置成為鎖存器。FPGA一般依賴寄存器完成同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。一般來說，比較經(jīng)典的基本可編程單元的配置是一個(gè)寄存器加一個(gè)查找表，但不同廠商的寄存器和查找表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的差異，而且寄存器和查找表的組合模式也不同。

學(xué)習(xí)底層配置單元的LUT和Register比率的一個(gè)重要意義在于器件選型和規(guī)模估算。由于FPGA內(nèi)部除了基本可編程邏輯單元外，還有嵌入式的RAM、PLL或者是DLL，專用的Hard IP Core等，這些模塊也能等效出一定規(guī)模的系統(tǒng)門，所以簡單科學(xué)的方法是用器件的Register或LUT的數(shù)量衡量。

3.嵌入式塊RAM

目前大多數(shù)FPGA都有內(nèi)嵌的塊RAM。嵌入式塊RAM可以配置為單端口RAM、雙端口RAM、偽雙端口RAM、CAM、FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

CAM，即為內(nèi)容地址存儲(chǔ)器。寫入CAM的數(shù)據(jù)會(huì)和其內(nèi)部存儲(chǔ)的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)的地址。簡單的說，RAM是一種寫地址，讀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元;CAM與RAM恰恰相反。

除了塊RAM，Xilinx和Lattice的FPGA還可以靈活地將LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4.豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內(nèi)部所有單元，連線的長度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度。布線資源的劃分：

1）全局性的專用布線資源：以完成器件內(nèi)部的全局時(shí)鐘和全局復(fù)位/置位的布線;

2）長線資源：用以完成器件Bank間的一些高速信號(hào)和一些第二全局時(shí)鐘信號(hào)的布線（這里不懂什么是“第二全局時(shí)鐘信號(hào)”）;

3）短線資源：用來完成基本邏輯單元間的邏輯互連與布線;

4）其他：在邏輯單元內(nèi)部還有著各種布線資源和專用時(shí)鐘、復(fù)位等控制信號(hào)線。

由于在設(shè)計(jì)過程中，往往由布局布線器自動(dòng)根據(jù)輸入的邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇可用的布線資源連通所用的底層單元模塊，所以常常忽略布線資源。其實(shí)布線資源的優(yōu)化與使用和實(shí)現(xiàn)結(jié)果有直接關(guān)系。

5.底層嵌入功能單元（書上舉了很多例子，不過這些東東要看具體哪個(gè)廠商的哪種型號(hào)的芯片上嵌有什么資源決定）

6.內(nèi)嵌專用硬核

與“底層嵌入單元”是有區(qū)別的，這里指的硬核主要是那些通用性相對(duì)較弱，不是所有FPGA器件都包含硬核。

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(gè)領(lǐng)域，而對(duì)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(gè)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(huì)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(duì)ASIC偏大，至于前段時(shí)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(hào)越高端，單片更貴?？紤]量、價(jià)因素，最終還是基站側(cè)用的FPGA總價(jià)高。

為什么是基站（也可以說是管道）最適合用FPGA，而且總價(jià)最高。首先因?yàn)榛镜牧糠浅４螅倦m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(huì)輕松破億），每個(gè)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(hào)也不會(huì)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(gè)重要的考慮。一般來講，基站中的芯片價(jià)格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價(jià)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(huì)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(jí)，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(shí)，最適合FPGA來處理，因?yàn)榭梢酝ㄟ^升級(jí)FPGA版本來應(yīng)對(duì)協(xié)議變動(dòng)，待協(xié)議完全凍結(jié)后，各設(shè)備廠家會(huì)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(shì)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(duì)的一個(gè)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€(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，因此，F(xiàn)PGA的用量也是非常可觀的。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(gè)重要領(lǐng)域，軍工和航天對(duì)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(shì)

（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(jí)，目前xilinx 16nm工藝的FPGA已經(jīng)成熟商用，altera被Intel收購后逐步會(huì)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(huì)升級(jí)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(jí)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(shì)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(duì)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(huì)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(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，一定還是通信，從4G過度到5G，5G初期的量會(huì)很大，中后期逐步被ASIC化。另外可能大數(shù)據(jù)也會(huì)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(shì)，后面是逐步上量的過程。人工智能不會(huì)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(shí)間。但是一旦FPGA在AI應(yīng)用成為共識(shí)，其市場潛力極其巨大，也許會(huì)使得FPGA市場這個(gè)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(huì)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(gè)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(huì)很快啟動(dòng)自己的ASIC設(shè)計(jì)來替代FPGA，因此如果AI行業(yè)中會(huì)大規(guī)模使用FPGA，F(xiàn)PGA行業(yè)規(guī)模將會(huì)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?cè)谀承┘?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(huì)比較被動(dòng)，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(huì)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(huì)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(gè)范圍就更小了，讓我們拭目以待。

國內(nèi)FPGA與美國FPGA差距

FPGA是可編程邏輯器件，可以理解為萬能芯片，有人理解為芯片界的橡皮泥，目前這個(gè)市場被美國四家公司壟斷，一直是我們的短板。

2017年，有中國背景的一家私募股權(quán)基金，想偷偷去收購美國的萊迪斯，結(jié)果被特朗普叫停，看來美帝的警惕心很強(qiáng)啊，捷徑還是走不通啊。

但是我們有沒有FPGA呢？答案是有，而且還有好幾家。美國壟斷了99%，剩下的全世界瓜分，然后我們?cè)谶@1%里，要是四舍五入精確到個(gè)位，當(dāng)然是0%。

國內(nèi)的FPGA公司有京微雅格、復(fù)旦微電子、高云FPGA、同方國芯、上海安路、西安智多晶微等，但是由于要從美國四大公司牙縫里搶食，能生存下來已經(jīng)實(shí)屬不易。

從SWOT分析當(dāng)前國內(nèi)發(fā)展FPGA的前景

（1）首先說優(yōu)勢(shì)。相比較xilinx和altera，國產(chǎn)FPGA廠商目前基本沒有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只有比較優(yōu)勢(shì)，比如起點(diǎn)高，再也不用從微米級(jí)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(shì)，比如對(duì)中小客戶需求的理解等比國外巨頭要更接地氣等。

（2）劣勢(shì)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(huì)，當(dāng)前中國廠商面臨的機(jī)會(huì)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(gè)領(lǐng)域的投入可能會(huì)逐步增加，雖然政府直接主導(dǎo)這個(gè)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(duì)一個(gè)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(huì)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(gè)。當(dāng)中國企業(yè)還很弱小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)對(duì)國際巨頭構(gòu)不成競爭的時(shí)候，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)還不大，如果已經(jīng)形成競爭關(guān)系的時(shí)候，可能巨頭們就會(huì)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(duì)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(gè)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(duì)芯片產(chǎn)業(yè)的高度重視，還有這個(gè)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(huì)逐步縮小，雖然這個(gè)過程會(huì)比較長，但趨勢(shì)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(gè)很好的信號(hào)。在今年的“IC-CHINA 2017”大會(huì)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(gè)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(duì)應(yīng)lattice 的XO2/XO3，對(duì)其形成強(qiáng)有力的替代競爭優(yōu)勢(shì)。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(duì)于一個(gè)成立才3年左右的公司，這個(gè)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(huì)對(duì)國外廠商產(chǎn)生很大的沖擊。與此同時(shí)，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(gè)發(fā)展得不錯(cuò)的行業(yè)，基本都遵循一個(gè)邏輯，先是從低端開始突破，對(duì)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(gè)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(gè)行業(yè)發(fā)展的必由之路。對(duì)于FPGA行業(yè)來說，也完全可以按照這個(gè)思路發(fā)展。