FPGA，老兵不死！
几十年来，摩尔定律为CPU性能的持续提升提供了可靠的路线图。然而，随着行业达到传统半导体尺寸的极限，行业对芯片性能和提高效率的需求却没有停止，“加速，加速，加速”是当今时代的主旋律。因此，我们看到了现在各种GPU、ASIC、FPGA等加速器的出现。
在这其中，有一名老兵，它就是诞生于1980年的FPGA(可编程逻辑门阵列)，一直在被ASIC替代，却一直坚挺地存在。初期的消费电子，如手机里面都有可能会用到FPGA芯片作为桥接或特定用途的功能，但是经过几年演变之后这样的FPGA芯片功能几乎又会被ASIC替换。后来随着消费电子设备中很多新技术的引入，ASIC的推出速度无法赶上设计需求，不少应用场景还是回归到使用FPGA，这就是FPGA的魅力所在。
现在，在数据中心、人工智能以及边缘计算领域等新的应用领域中，FPGA又开始展现出卓越的实力。与此同时，芯片巨头围绕FPGA的竞赛再次开启。值得一提的是，国内FPGA厂商正在国产替代的沃土上茁壮成长。
争夺“全球最大的FPGA”称号
2015年，Intel以167亿美元的价格收购了Altera，而AMD则在2020年宣布以近500亿美元收购赛灵思。随着FPGA行业老大和老二被相继收购之后，FPGA更多的从台前“埋没”于芯片巨头的幕后。
不过，两家高性能FPGA公司被收购，凸显了FPGA的价值，FPGA也为两家贡献了很大的营收。近一年来，英特尔和AMD均凭借FPGA的需求创下不少个季度销售额新高。2023年第二季度英特尔财报显示，其可编程解决方案事业部（PSG）的收入同比增长35%，连续三个季度创下历史新高。
那么，如今AMD和英特尔用FPGA在做什么？在“争夺全球最大的FPGA称号”。
从2006年到2023年，用于ASIC和SoC仿真和原型设计的FPGA容量增长了56倍，使得基于这些设备的系统容量在同一时期增长了1万倍以上。FPGA变得越来越大。
图片来源：AMD
在近日的hotchips 2023上，AMD发布了最大的FPGA——Versal VP1902 Premium。AMD是小芯片的爱好者，在这款FPGA产品上也是小芯片的集结者，AMD围绕四个超级逻辑区域 (SLR) 小芯片构建，通过硅中介层以2×2布局连接（如下图所示），这使其可以变得足够大。VP1902可支持多达1850万个逻辑单元和600亿个逻辑门。AMD VP1902 SoC 的组装和封装技术源于2011年10月推出的Xilinx Virtex-7 2000T FPGA，当时它只有19.5456万个逻辑单元。
AMD的Versal VP1902 Premium（图源：AMD）
该芯片的一大目标应用是为更复杂的SoC芯片进行仿真验证。为了设计CPU，必须要FPGA的参与。如今的芯片设计动辄成百上千亿的晶体管，验证越来越难，也越来越贵。虽然像Cadence这样的EDA公司也提供仿真验证，但他们所提供的是软件仿真，软件仿真速度往往受到底层硬件和软件的限制。AMD提供的这种FPGA仿真是硬件仿真，相比软件，硬件仿真则可以更快地评估芯片设计。这也是为何FPGA会越来越大的缘故。软硬仿真的结合，对于当今复杂芯片的设计将越来越重要。除了基于FPGA的仿真和企业原型设计之外，VP1902 Premium还瞄准桌面原型设计以及测试和测量 (T&M) 设备等的应用。
据eejournal的报道，上一个“最大的FPGA”还是英特尔在2019年12月发布的Stratix 10 GX，它具有1020万个逻辑元件，该FPGA也是小芯片结构一种，英特尔采用EMIB（嵌入式多芯片互连桥）技术将两个大型FPGA芯片组合在一个封装中，由433亿颗晶体管组成。也就是说，英特尔凭借Stratix 10 GX 保持了“全球最大FPGA”桂冠约3.5年。
英特尔Stratix 10 GX
而更早之前的最大FPGA是赛灵思（当时还没被AMD收购）在2019年8月发布的 Xilinx Virtex UltraScale+ VU19P，这是一款16纳米的FPGA，采用台积电CoWos封装技术，拥有350亿个晶体管，在一个中介层上放置了四个芯片组成，拥有900万个逻辑单元。
其实，早在Altera和赛灵思还没有被收购时，围绕FPGA容量变大的角逐赛就已经展开。现在，比赛的接力棒交给了英特尔和AMD。英特尔近年来在FPGA上的动作也颇多，其一直在快速扩展最新的Agilex FPGA产品线。据最新消息，英特尔计划在2023年发布15款FPGA，而截止目前，英特尔才共有11款FPGA。如果按照过往这样的规律，估计用不了多久，可能会听到英特尔大FPGA的消息。
FPGA变大已经离不开小芯片封装技术了。但是，基于小芯片封装设计的FPGA，一大缺点是小芯片间的互联。它不仅互联成本高，也比片上的互联速度慢，AMD已表示正在增强其Vivado ML工具套件的布局布线和分区功能，以适应VP1902 SoC等多层器件。
Forbes的一篇报道中，英特尔可编程解决方案事业部（PSG）副总裁兼总经理 Deepali Trehan表示：“UCIe对于我们的下一代FPGA非常重要。”UCIe是英特尔推动建立的小芯片互联的标准。
在今年参加2023上海国际嵌入式展时，在与FPGA厂商Lattice的交流沟通中，Lattice亚太区现场技术支持总监蒲小双曾告诉笔者：“FPGA要永远走在市场前面，客户才需要你”。观察近年来FPGA技术的发展，其不断的创新确实体现了这一理念。尽管小芯片技术近年在CPU和GPU领域逐渐成熟，但我们不能忽视它在FPGA上的成功的实践经验，这为小芯片在其他领域的成功打下了坚实基础。
从英特尔和AMD等芯片巨头的动作上来看，FPGA芯片活力无限，而且正在换发新的生机。
FPGA：芯片领域的“万能芯片”
“FPGA芯片具有设计灵活、兼容性强、适用性强与并行运算等优势，能够以较低成本实现算法的迭代，较好地实现新场景的运算、控制和升级功能，在芯片领域内素有“万能芯片”之称。”安路科技总经理陈利光告诉笔者。
值得一提的是，FPGA的并行处理能力，使它更加适合如今的高性能计算（HPC）应用。其他类型的IC，如MCU、MPU、专用集成电路 (ASIC) 等在部署时具有固定功能并按顺序运行，缺乏可编程性可能会缩短系统部署后的使用寿命。
而且，FPGA可以无缝集成到现有的HPC基础设施中，补充传统的基于CPU和GPU的系统。通过将特定任务卸载到FPGA，HPC系统可以实现更高的性能、更低的功耗并提高效率。现在大火的DPU前身就是FPGA当道，英特尔推出的IPU也是基于FPGA。
因此，FPGA在众多新兴市场中找到了新的发展前景，据京微齐力的介绍，在汽车领域，汽车电子后视镜、激光雷达、分布式域控制甚至是ADAS等诸多汽车场景中，都会有FPGA的身影。在边缘计算场景中，随着人工智能和深度学习的兴起，FPGA的灵活性将在加速机器学习和神经网络推理方面发挥重要作用。还有一些数据密集型的应用，像科学计算、医疗等领域，都是FPGA的新机会。
但是要充分利用FPGA的潜力，为了支持这些机器学习、图像处理和高性能计算等复杂的应用，不仅需要EDA软件的支持，还要不断地更新和优化。如同安路科技总经理陈利光所说：“FPGA芯片比较特殊，生产出来的时候是空白，在使用过程中需要专用EDA软件配合编程才能实现用户应用。其现场可编程的特性也决定了其研发过程和方法不同于一般集成电路芯片，FPGA厂商一般都需要提供自主设计EDA工具来实现应用开发。高效能的EDA工具是FPGA产品的核心竞争力之一，这也是FPGA行业高壁垒的原因。”
总之，FPGA正在多个新兴市场中绽放出新生活力，FPGA市场规模持续提高。根据marketsandmarkets的分析，2023年FPGA市场价值为97亿美元，预计到2028年将达到191亿美元，2023~2028年的年复合增长率为14.6%。预计亚太地区FPGA的市场将出现显著增长，主要得益于电信、工业、汽车、消费电子和计算领域。而从节点尺寸上来看，2023-2028年内20-90nm节点尺寸将占据FPGA市场的最高市场份额。这些FPGA已在市场上销售相当长的时间，并且在高带宽和降低总系统成本方面具有很大的优势，这使得它们适合通用和便携式应用。
看看现在仍然独立的、出货量最大的FPGA厂商Lattice，在过去五年间，股价已经飙升了1285%，从2018年7美元涨到2023年的97美元，足见FPGA在产业链上的重要价值。
国产替代助力，中国FPGA企业风头正劲
近年来，乘着国产替代的东风，叠加网络强国、制造强国和“双碳”战略实施，国内FPGA芯片市场需求旺盛，国内一众FPGA企业如安路科技、京微齐力、紫光同创、复旦微电子、高云半导体等发展势头强劲。据了解，安路的FPGA芯片截至目前，已经累计出货量超过一亿颗，支持客户超过2000家。
从产品的角度来看，据京微齐力的分析指出：“虽然目前国产FPGA厂商的出货量还是以中小容量为主，但经过近几年的技术积累，国内FPGA初创企业在此领域的产品已经可以达到国际竞品的水准，在软硬件的协同发展上小有所成。”
此外，部分财力雄厚的企业，如安路科技、紫光同创等，已经着手研发高性能大容量的FPGA芯片。安路表示，在高端产品供应方面，国内水平仍与国际龙头存在较大差距，需要在性能指标和量产能力上取得进一步的突破。受设计经验，先进制造能力、封测工艺、IP资源等因素影响，中国FPGA芯片企业技术创新能力亟待提升。
在市场拓展的角度，在消费电子领域，没有所谓的国产替代，还是要各凭本事。像京微齐力这样的FPGA厂商从消费电子市场开始切入，逐渐找寻到了一些ASIC不容易替代的场景。值得关注的是，国内的小容量FPGA产品还有一些自己对行业的理解，做了一些技术创新和国产思考进去，摸准了一些客户的需求，帮助用户提升了价值。所以，国产厂商在消费类场景中也开始越来越多的选用本土FPGA产品，逐渐形成了一定的产值。
2023年下游整体市场需求疲软，国内FPGA厂商或多或少有所感受。对于下行周期的策略，安路科技总经理陈利光表示，整体策略来讲，我们采取的是夯实底座基础，持续精进，秉持“坚持技术创新，服务更多客户”的核心理念。首先，继续加大先进产品研发投入和技术创新，根据市场需求进一步丰富FPGA/FPSoC芯片产品规格型号，推出优势产品，完善产品线布局，协同产业链创新增效，促进优质可靠的产品落地，来满足客户多样化的需求。其次，加大新产品推广和产品导入力度，通过创新IP和解决方案抓住更多新产品设计机会，协助客户做产品升级迭代。此外，深耕存量市场，巩固现有竞争优势，同时不断探索新兴市场，布局新赛道，希望通过积极的内外兼修，穿越周期，争取在市场回暖之时，能更好地把握潜在机会，提高市场竞争力。
京微齐力表示，国内的FPGA公司想要真正在市场上站稳脚跟，必须要在新技术持续发展的市场领域中扎根做实，例如通信、电力、工业伺服、工业相机、安防视频等行业。因此，随着22nm新产品的推出，京微齐力正在向工业、安防、视频等领域奋进。
如同其他类型的芯片赛道，FPGA的内卷和同质化竞争的现象也是存在的，为了避免同质化竞争严重，国内的FPGA厂商也有意在差异化上投入更多心力。
异构路线已成为部分厂商的主要战略方向之一。如京微齐力所言，现代的FPGA不仅仅一味的关注容量和工艺的变化，而是更加强调不同计算单元的融合，如FPGA与CPU、MCU、Memory、ASIC和AI等的结合，形成系统级的产品，确保高性能、高带宽、高可靠性、低功耗和低时延。京微齐力指出，这也是赛灵思大厂一般会在FinFET先进工艺节点上的做法，只不过，像京微齐力这样的厂商目前是在合适的工艺节点如22纳米的维度上集成异构的元素进行创新。这会比早期赛灵思28nm的产品多一些功能差异化的地方。
但是这种异构的产品在推广上不是易事，首先，客户的接受度是一个核心问题。有些客户可能并不需要如此复杂的芯片结构，他们只期望替代或优化FPGA的部分即可。这种情况要求FPGA厂商努力开辟新市场或推动客户接纳这种创新的使用模型。其次，伴随这种新型的设计，还会带来巨大的软件开发工作量。应用层的代码需要大量调整和优化，再加上后续的软件调试，从而导致design-in的周期变得更长。面对这些挑战，需要FPGA厂商与客户紧密合作，共同成长和探索，以确保异构产品能够成功创新并真正落地。
国内FPGA企业之所以能快速发展，除了技术创新外，其接近市场、直接了解并满足本土客户需求也是一大优势。以京微齐力为例，其近期研发的小容量FPGA+CPU+AI智能加速芯片就是与工程师和客户共同探讨而来。这颗“聊出来”的产品不仅仅满足了客户的算力需求，还整合了FPGA的特性，进一步展现了国产FPGA的价值和生存空间。这也从侧面反映出，国产FPGA芯片企业的发展，需要优质合作伙伴的一起合作、推广。
投资人眼中的FPGA 赛道
近年来，FPGA创业的热潮似乎有所退却，相关企业的融资事件也并不是很多，投资金额也参差不齐。例如，FPGA芯片公司芯璐科技2023年6月份完成3000多万的种子轮融资；中科亿海微2023年1月获B+轮融资，用于支持14nm工艺亿门级新型异构芯片设计；2022年8月，异格技术完成2.86亿元融资，聚焦国产高端FPGA芯片的研发与设计；京微齐力2022年6月完成1个多亿元的融资；菲数科技于2020年7月获合肥创投2000万元新一轮融资。
那么投资者是如何看待FPGA赛道的？
据云岫资本赵占祥告诉笔者，FPGA其实是介于大芯片和模拟芯片的一个产业，属于先进制程。但有所区别的是，FPGA的市场大部分是工业级和企业级的市场，消费类的应用不多。而且FPGA市场得特点是非常分散，它不像CPU、GPU这类芯片一样会有非常大的单一市场。这样的好处是它的营收相对较稳定，不易受到某些特定行业的冲击。
不利的一面是，对于初创公司而言，起步较难，需要有很多的产品线布局，包括覆盖大、中、小不同容量来满足不同领域的需求，还要有IP积累和EDA软件的支持，前期积累较难。而且工业和企业级的客户对于产品要求不仅要性能好，可靠性的要求也非常高。
在谈到“国内还能跑出几家FPGA上市企业？哪些类型的公司会比较有机会？”时，赵占祥表示，对于国内FPGA厂商而言，市场发展空间很大，因为整个FPGA市场90%以上还是国外企业占据主导地位。我们比较看好已经在国内有着5年以上积累的初创公司，他们不仅有着市场积累，也有稳定的营收，乘着国产替代的机会，这些FPGA企业正处于发展的快车道中。时间给到了，上市的机会很大。
结论
FPGA，这位老兵，确实不会轻易“退休”。随着技术的不断进步和新应用场景的出现，我们有理由相信，FPGA仍将在未来的技术领域中继续发挥其不可替代的角色。
在国产替代浪潮下，中国FPGA企业正逢其时。相信随着FPGA迸发出更加旺盛的生命力，我们期待，中国FPGA企业将在未来的高性能领域竞争中占据一席之地。
参考资料
1. Intel’s World’s Largest FPGA，eejournal
2. AMD Introduces World’s Largest FPGA-Based Adaptive SoC for Emulation and Prototyping，AMD
3. Intel’s Chiplet Strategy Accelerates FPGA Development，Forbes
4. With 18.5 million logic cells, AMD’s Versal VP1902 Premium Adaptive SoC becomes “World’s Largest FPGA”，eejournal
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