FPGA問世40周年：國產能否挑起大梁

在嵌入式領域，FPGA是非常重要的一種器件。今日，AMD宣布首款商用現場可編程門陣列 （FPGA）已經問世40周年。

在FPGA背后有哪些故事，目前國內國外發展情況如何，國產FPGA能否獨挑大梁？

從替代ASIC到邊緣AI

FPGA的顛覆在于引入了可重新編程硬件的理念。通過創建“像軟件一樣靈活的硬件”，FPGA重編程邏輯改變了半導體設計的面貌。開發人員第一次可以設計芯片，如果規格或要求在中途甚至在制造之后發生變化，他們可以重新定義其功能以執行不同的任務。這種靈活性使新芯片設計的開發更加迅速，加快了新產品的上市時間，并為ASIC提供了替代方案。

FPGA的發明對市場的影響是驚人的。FPGA開創了一個10+億美元的行業。

FPGA是由已故的Ross Freeman發明的，他是Xilin（現在是AMD的一部分）的聯合創始人，他是一位工程師和創新者，他認為必須有一種更好、更具成本效益的芯片設計方法，而不是標準的固定功能ASIC器件。FPGA為工程師提供了即時更改芯片設計的自由和靈活性，并能夠在一天內開發和設計定制芯片。FPGA還幫助開創了“無晶圓廠”（Fabless）商業模式，改變了整個半導體行業。通過消除對定制掩模工具的需求和相關的非經常性工程成本，FPGA通過證明公司不需要擁有代工廠來創造突破性的硬件，他們只需要視覺、設計技能和 FPGA，從而幫助加速硬件創新。

自世界上第一個商用FPGA（XC2064）出貨以來的40年里，FPGA在電子領域無處不在，并深深嵌入到日常生活中。如今，自適應計算設備，包括FPGA和自適應SoC以及系統級模塊（SOM），無處不在，從汽車、鐵路車廂和交通信號燈到機器人、無人機、航天器和衛星，再到無線網絡、醫療和測試設備、智能工廠、數據中心，甚至高頻交易系統。

世界上第一款商用FPGA XC2064具有85,000個晶體管、64個可配置邏輯塊和58個I/O 塊。相比之下，當今最先進的基于AMD FPGA的器件（如Versal Premium VP1902）具有 1,380億個晶體管、1,850萬個邏輯單元、2,654個I/O模塊、多達6,864個DSP58引擎，以及用于內存、安全和接口技術的廣泛硬核IP

自從1985年賽靈思發明FPGA以來，FPGA容量已經提高了一萬倍以上， 速度提高了一百倍以上，價格和功耗縮小了一千倍以上。

而在應用方面，FPGA正在加大對于邊緣AI領域的探索，更多市場被AI所撬動。

如今，大多數AI工作負載都在數據中心GPU上運行。然而，越來越多的AI處理正在邊緣進行。FPGA 技術處于各行各業中注入AI的應用快速增長的最前沿。FPGA和自適應 SoC 提供實時傳感器數據的低延遲處理，從而在邊緣加速AI推理。隨著最近推出的更小的生成式AI模型，可以看到“ChatGPT 時刻”即將到來，這些新的AI模型可以在邊緣設備上運行，無論是在AI PC、車輛、工廠機器人、太空還是任何嵌入式應用程序上。

展望未來，基于FPGA的自適應計算將繼續推動邊緣AI應用的突破，用于自動駕駛、機器人和工業自動化、6G 網絡、氣候變化、藥物發現、科學研究和太空探索。

FPGA國際四雄，不分伯仲

經過幾十年的寡頭壟斷和行業整合，目前全球FPGA市場方面，AMD、Altera、萊迪思（Lattice）、微芯科技（Microchip）成為國際四雄，瓜分全球將近70%~80%的市場份額。

第一，AMD（賽靈思Xilinx）作為FPGA的發明者，其過去25年一直是FPGA市場份額的領導者。在過去的四十年里，已經向不同細分市場的 7,000 多家客戶交付了超過 30 億個 FPGA 和自適應 SoC（將 FPGA 架構與片上系統和其他處理引擎相結合的設備）。事實上，在過去 25 年中一直是可編程邏輯市場份額的領導者，AMD相信，憑借產品組合和路線圖的優勢，AMD有能力繼續保持市場領先地位。

過去40年里，AMD創新和不斷發展的市場需求導致了FPGA技術的許多驚人突破：

• 1985 年：XC2064 – 第一款商用 FPGA

• 1990 年代：XC4000 和 Virtex? FPGA – 率先為無線基礎設施提供嵌入式 RAM 和 DSP。

• 1999 年：推出 Spartan 系列 – 為大批量應用提供傳統 ASIC 的高性價比替代方案。

• 2001 年：第一款集成了 SerDes 的 FPGA。

• 2011 年：Virtex-7 2000T 成為業界首個生產部署的晶圓基板芯片 （CoWoS） 封裝 -- 有助于率先使用先進的 2.5D 集成技術，這些技術已成為 HPC 系統的基礎，現在正在推動 AI 的 GPU 創新浪潮。

• 2012 年：Zynq 系列 – 首款將 Arm CPU 與可編程邏輯相結合的自適應 SoC。

• 2012 年：Vivado? Design Suite – 使軟件開發人員能夠使用 FPGA 設計。

• 2019 年：推出首款 Versal ACAP —— 推出專用 AI 引擎和可編程片上網絡 （NOC）。

• 2019 年：Vitis? 統一軟件平臺 – 提供預優化的 AI 工具和抽象層，以加快推理速度。

• 2024 年：Versal AI Edge 系列 Gen 2 – 集成可編程邏輯、CPU、DSP 和 AI 引擎，在單芯片上實現首個端到端 AI 加速，并為需要異構、低延遲和高能效計算的新一代應用提供支持。

• 2024 年： Spartan UltraScale+ FPGA 系列，進一步豐富了廣泛的成本優化型 FPGA 和自適應 SoC 產品組合，為邊緣的 I/O 密集型應用提供經濟高效的性能。

從上面可以看出AMD特別關注AI，除了AI領域，AMD特別關注汽車領域。智能座艙是最近幾年廠商發力的重點，但車廠逐漸發現，現有SoC擴展能力不足，面對多傳感融合具備一定挑戰，這種情況下，FPGA更具優勢。日前，AMD便針對ADAS傳感器應用和車載信息娛樂系統（ IVI ），推出了 AMD 汽車車規級（ XA ）系列的最新成員：Artix? UltraScale+? XA AU7P。

不過，相對來說，AMD目前策略還是將賽靈思的FPGA當作整個解決方案的一環，不會特別強調FPGA的特殊地位。畢竟FPGA也有自己的專長，而不是一個萬能的通解，AMD更想提供高性能 CPU、GPU、FPGA 和自適應 SoC一整套產品線。

第二，Altera重新變成獨立公司，FPGA格局再生變。英特爾在前首席執行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）的領導下，開始了剝離Altera的程序。新任首席執行官陳立武（Lip-Bu Tan）上任僅兩周，便已著手開展各項工作。陳立武精心策劃，將Altera 51%的股份以44.6億美元的價格出售給私募股權巨頭銀湖資本 (Silver Lake Partners)，使得這家FPGA制造商的估值達到87.5億美元。當然，這比英特爾2015年6月收購Altera時支付的167億美元要少得多。

拆分后，Altera一直比較看重Agilex這個產品系列，并第一時間發布面相智能邊緣的Agilex? 3 FPGA 和 SoC FPGA。Altera 的 Agilex? 3 FPGA 和 SoC 可在不影響性能的前提下顯著提高成本效益。其通過出色的Hyperflex? FPGA 架構、先進的收發器技術、更高的集成度和更強大的安全功能，助用戶將項目提升至新的高度。

有意思的是，Altera拆分后還放出了Agilex? 3與萊迪思Certus-N2跑分對比數據，數據顯示，全面碾壓萊迪思。

第三，Lattice堅持以中小尺寸產品走中低端路線，是其多年前便選定的競爭策略，整體在多年中表現比較穩健。Lattice目前比較關注三個市場。

AI方面，Lattice正在探索如何利用AI，特別是生成性AI（Gen AI）的最新研究成果，來提升整個開發過程。具體而言，Lattice更專注在AI推理（inference），尤其是在邊緣端的推理應用。邊緣端推理通常對功耗有更高的要求，而在性能上則可以做一定的妥協。關于機器人和仿真機器人的馬達控制也是Lattice比較傳統的應用。

汽車方面，Lattice一直在加大“在中國為中國”戰略，與國內大部分汽車Tier-1廠商已有非常緊密的合作關系，并且對后期市場充滿信心。2024年，Lattice針對汽車應用領域推出5到6款不同的應用方案。如果將這些新方案與不同的Tier-1廠商數量以及每年新產品迭代的速度相乘，整體應用方案的推廣速度將在后期呈指數級增長。

工業方面，Lattice有很好的預期，其在中國已擁有眾多客戶。由于工業細分市場之間具有互補性，某些增長速度較慢的市場可以被其他市場所補充。因此，我們將工業市場視為基線，作為收入增長的最大驅動力。

第四，Microchip一直FPGA領域的“隱形冠軍”，其本身產品擁有很多核心科技，只不過好像沒有AMD、Altera那樣經常被提起。

今年，Microchip也開始發力向 AMD、Altera 和 Lattice爭奪市場份額。最近，Microchip對其PolarFire 現場可編程邏輯 FPGA 和系統級芯片 (SoC) 器件的價格進行了調整，通過禁用芯片上的某些模塊(尤其是收發器)來降低定價，以降低 PolarFire Core 和 PolarFire SoC Core 的測試成本，整體價格也降低了30%。通過“模塊裁剪”策略，降低成本實現精準產品定位。

此外，值得注意的是，PolarFire SoC產品內置五核 RISC-V 架構，支持異構多系統并行運行，體現了 Microchip 向開放指令集架構（ISA）生態靠攏的戰略方向。

可以說，Microchip的降價不僅是價格策略，更是爭奪市場份額、生態主導權的戰略舉措。FPGA行業競爭焦點已從晶體管密度轉向AI時代的高性價比算力平臺。

國產FPGA，大器晚成

“造芯就是砸錢”，FPGA領域則砸得更狠。國內FPGA設計始于20世紀90年代，真正技術發展于2000年以后，起步比國外晚十多年。FPGA研發技術含量很高，無論從邏輯單元數量到制程工藝等國內外廠商均有差距。

目前國內與FPGA相關研發企業數量超過28家，其中已在A股上市的企業包括復旦微電子、安路科技、航錦科技，成都華微電子上市“已問詢”，紫光同創在日前啟動上市輔導備案，云半導體、京微齊力、中科億海微、智多晶、遨格芯微、易靈思則一直被加注。

具體來說，復旦微電在國內較早推出億門級FPGA，新一代十億門級產品正在研發中，并且有可編程片上系統的技術儲備；紫光同創覆蓋高、中、低端等多層次FPGA市場；安路科技在FPGA/集成CPU、FPGA、數據處理專用引擎等單芯片產品方面都有儲備，量產供貨產品已覆蓋100K以內的邏輯單元規模，并且PHOENIX1 系列中邏輯單元為 400K 的新產品已成功流片；京微齊力基于22nm工藝制程的FPGA已成功量產；易靈思基于RISC-V軟核的FPGA已商用，并在16nm、40nm有長期的產品規劃；西安智多晶自主研發的Seal 5000、Sealion 2000 系列 FPGA/CPLD 芯片經過工業和信息化部電子第五研究所評估認證，通過了自主可控等級評定。

而縱觀安路科技、紫光同創、復旦微電幾家公司關鍵業務數據，由于研發費用占比一度超100%，導致有一段時期凈利為負。不過，得益于政策傾斜和科研項目經費補貼，這種窘境一定程度上得以緩解。

通過對比國際尖端產品，核心參數差距依然較大。不過，國內也非常注重軟件生態的建設。

比如說，智算平臺是復旦微磨礪3年研發出來的一款針對CNN卷積神經網絡的基于FPGA的深度卷積神經網絡加速平臺，具有高算力、低功耗的加速效果，提供高達1TGOPS的算力，靈活的支持VGG、YOLO、FaceNet等主流深度神經網絡等優勢。

再比如，2022年5月，安路科技發布SF1系列FPSoC器件，SF1以單芯片實現了RISC-V和可編程邏輯的優勢融合，獲得廣泛市場關注。

又比如，Pango Design Suite EDA 套件是紫光同創基于多年FPGA開發軟件技術攻關與工程實踐經驗而研發的一款擁有國產自主知識產權的大規模FPGA開發軟件，可以支持千萬門級FPGA器件的設計開發。

總計起來，國產主要存在以下三個發展瓶頸：

• 專業壁壘：美國幾乎持有所有FPGA核心專利，不過FPGA商用至今，許多專利開始慢慢到期；

• 人才問題：EDA核心工具專業人才，特別是布局布線的算法高級人才幾乎沒有；

• 生態環境：當前基本都是AMD（Xilinx）、Altera、Lattice的生態，后進者難以建立生態優勢，IP資源圈、開發資源圈都得從頭建設。

不過，隨著邊緣AI進一步火熱，加之專利逐漸到期，國內FPGA發展迎來春天。這些公司也普遍都有FPGA與AI結合的相關產品。

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