【導(dǎo)讀】可編程的“萬(wàn)能芯片” FPGA——現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是指一切通過(guò)軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。
一、FPGA簡(jiǎn)介
FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx創(chuàng)始人之一Ross Freeman發(fā)明，雖然有其他公司宣稱(chēng)自己最先發(fā)明可編程邏輯器件PLD，但是真正意義上的第一顆FPGA芯片XC2064為xilinx所發(fā)明，這個(gè)時(shí)間差不多比摩爾老先生提出著名的摩爾定律晚20年左右，但是FPGA一經(jīng)發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象，近些年的FPGA，始終引領(lǐng)先進(jìn)的工藝。
FPGA—“萬(wàn)能芯片”
可編程的“萬(wàn)能芯片” FPGA——現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是指一切通過(guò)軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。
FPGA可以實(shí)現(xiàn)怎樣的能力，主要取決于它所提供的門(mén)電路的規(guī)模。如果門(mén)電路的規(guī)模足夠大，F(xiàn)PGA通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意芯片的邏輯功能，例如ASIC、DSP甚至PC處理器等。這就是FPGA為什么被稱(chēng)之為“萬(wàn)能芯片”的原因。
FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
FPGA可隨意定制內(nèi)部邏輯的陣列，并且可以在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行即時(shí)編程，以修改內(nèi)部的硬件邏輯，從而實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能。這一點(diǎn)是ASIC和和DSP都無(wú)法做到的。形象點(diǎn)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的ASIC和DSP等于一張出廠時(shí)就寫(xiě)有數(shù)據(jù)且不可擦除的CD，用戶(hù)只需要放到CD播放器就可以看到起數(shù)據(jù)或聽(tīng)到音樂(lè)；而FPGA是一張出廠時(shí)的空白的CD，需要用戶(hù)自己使用刻錄機(jī)燒寫(xiě)數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤(pán)里，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù)，反復(fù)刻錄。
可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算效率高
FPGA的核心優(yōu)點(diǎn)：可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高。
與ASIC的全定制電路不同，F(xiàn)PGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門(mén)電路規(guī)模足夠大，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程性使開(kāi)發(fā)人員能夠用軟件升級(jí)包通過(guò)在片上運(yùn)行程序來(lái)修改芯片，而不是替換和設(shè)計(jì)芯片（設(shè)計(jì)和）時(shí)間成本巨大），甚至FPGA可通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。
開(kāi)發(fā)周期短。ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線(xiàn)處理和流片等多個(gè)步驟，而FPGA無(wú)需布線(xiàn)、掩模和定制流片等，芯片開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的ASIC和SoC設(shè)計(jì)周期平均是14個(gè)月到24個(gè)月，用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)間可以平均降低55%。全球FPGA第一大廠商Xilinx認(rèn)為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市六個(gè)月5年內(nèi)將少33%的利潤(rùn)，每晚四周等于損失14%的市場(chǎng)份額。
FPGA比ASIC的設(shè)計(jì)流程大幅減小
并行計(jì)算效率高。FPGA屬于并行計(jì)算，一次可執(zhí)行多個(gè)指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計(jì)算，一次只能處理一個(gè)指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加頻率，所以ASIC、CPU的主頻一般較高。FPGA雖然普遍主頻較低，但對(duì)部分特殊的任務(wù)，大量相對(duì)低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高。另外，從某種角度上說(shuō)，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實(shí)并沒(méi)有所謂的“計(jì)算”，最終結(jié)果幾乎是類(lèi)似于ASIC“電路直給”，因此執(zhí)行效率就大幅提高。
FPGA限制因素：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)
未來(lái)，如果FPGA價(jià)格到低一定程度，將替代大多數(shù)的ASIC芯片。但是，目前制約FPGA發(fā)展的三大因素主要有：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)。
ASIC 與 FPGA 對(duì)比
成本。如果ASIC流片量大，實(shí)現(xiàn)同樣邏輯的FPGA成本將是ASIC的10倍以上。按照上面的初步測(cè)算，以5萬(wàn)片流片為零界點(diǎn)，低于5萬(wàn)片的小批量多批次的專(zhuān)用控制設(shè)別（如雷達(dá)、航天飛機(jī)、汽車(chē)電子、路由器，這些高價(jià)值、批量相對(duì)較小、多通道計(jì)算的專(zhuān)用設(shè)備）采用FPGA更加經(jīng)濟(jì)劃算。
FPGA和ASIC的成本粗算
功耗。FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因?yàn)镕PGA廠商并不知道下游的具體需求應(yīng)用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門(mén)電路（其實(shí)很多沒(méi)有使用到），行業(yè)深度報(bào)告:FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大有可為國(guó)防、汽車(chē)等，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/div>
編程設(shè)計(jì)。FPGA的發(fā)展中，軟件將占據(jù)60%的重要程度。例如Xilinx公司60%~70%的研發(fā)人員從事軟件工作。除了考慮芯片架構(gòu)，編程設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮應(yīng)用場(chǎng)景多樣性、復(fù)雜性和效率。FPGA編程需要采用的專(zhuān)用工具進(jìn)行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術(shù)門(mén)檻非常高。
二、國(guó)內(nèi)外FPGA游戲廠商收錄
FPGA市場(chǎng)前景誘人，但是門(mén)檻之高在芯片行業(yè)里無(wú)出其右。全球有60多家公司先后斥資數(shù)十億美元，前赴后繼地嘗試登頂FPGA高地，其中不乏英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星這樣的行業(yè)巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國(guó)硅谷的四家公司：Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi(美高森美)，其中，Xilinx與Altera這兩家公司共占有近90%的市場(chǎng)份額，專(zhuān)利達(dá)到6000余項(xiàng)之多，如此之多的技術(shù)專(zhuān)利構(gòu)成的技術(shù)壁壘當(dāng)然高不可攀。而Xilinx始終保持著全球FPGA的霸主地位。
FPGA是一個(gè)技術(shù)密集型的行業(yè)，沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)功底，很難形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。這也是FPGA市場(chǎng)多年來(lái)被四大巨頭Xilinx（賽靈思）、Altera（阿爾特拉）、Lattice（萊迪思）、Microsemi(美高森美)基本壟斷的原因。
國(guó)外FPGA廠商：
公司名稱(chēng)：Xilinx
總部：美國(guó)加利福尼亞圣何塞市
官網(wǎng)：http://www.xilinx.com/
1984年Xilinx共同創(chuàng)始人Ross Freeman, Bernie Vonderschmitt和 Jim Barnett 為自己定下了一個(gè)目標(biāo)， 那就是“針對(duì)特定應(yīng)用市場(chǎng)， 把Xilinx打造成為一個(gè)設(shè)計(jì)，制造，營(yíng)銷(xiāo)，及用戶(hù)可配置邏輯陣列全面領(lǐng)先的企業(yè)。”從一個(gè)專(zhuān)利起步， Xilinx的創(chuàng)始人點(diǎn)燃了一種創(chuàng)新的精神。這種精神，不僅成就了一個(gè)前所未有的行業(yè)，而且也讓Xilinx成為半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)之無(wú)愧的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)。
Xilinx大事記
Xilinx發(fā)明的FPGA顛覆了半導(dǎo)體世界，創(chuàng)立了Fabless（無(wú)晶圓廠）的半導(dǎo)體模式。Xilinx的產(chǎn)品組合融合了 FPGA、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件，以及全可編程的開(kāi)發(fā)模型，包括軟件定義的開(kāi)發(fā)環(huán)境等。產(chǎn)品支持 5G 無(wú)線(xiàn)、嵌入式視覺(jué)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算所驅(qū)動(dòng)的各種智能、互連和差異化應(yīng)用。
Xilinx在5G 無(wú)線(xiàn)、嵌入式視覺(jué)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等都有所涉及
客戶(hù)使用Xilinx及其合作伙伴的自動(dòng)化軟件工具和IP核對(duì)器件進(jìn)行編程，從而完成特定的邏輯操作。目前Xilinx滿(mǎn)足了全世界對(duì) FPGA產(chǎn)品一半以上的需求。
Xilinx產(chǎn)品線(xiàn)還包括復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。在某些控制應(yīng)用方面CPLD通常比FPGA速度快，但其提供的邏輯資源較少。與采用傳統(tǒng)方法如固定邏輯門(mén)陣列相比，利用Xilinx可編程器件，客戶(hù)可以更快地設(shè)計(jì)和驗(yàn)證他們的電路。而且，由于Xilinx器件是只需要進(jìn)行編程的標(biāo)準(zhǔn)部件，客戶(hù)不需要象采用固定邏輯芯片時(shí)那樣等待樣品或者付出巨額成本。
Xilinx產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于從無(wú)線(xiàn)電話(huà)基站到DVD播放機(jī)的數(shù)字電子應(yīng)用技術(shù)中。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體公司只有幾百個(gè)客戶(hù)，而Xilinx在全世界有7，500多家客戶(hù)及50，000多個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)端。其客戶(hù)包括Alcatel，Cisco Systems，EMC，Ericsson，F(xiàn)ujitsu，Hewlett-Packard，IBM，Lucent Technologies，Motorola，NEC，Nokia，Nortel，Samsung，Siemens，Sony，Oracle以及Toshiba。
Xilinx可編程芯片為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)廠商提供了可選的創(chuàng)新平臺(tái)，使得他們可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出數(shù)以萬(wàn)計(jì)改善我們?nèi)粘Ｉ钯|(zhì)量的先進(jìn)產(chǎn)品。
公司名稱(chēng)：Altera
總部：美國(guó)加利福尼亞圣何塞市
官網(wǎng)：https://www.altera.com.cn/
是世界上“可編程芯片系統(tǒng)”（SOPC）解決方案倡導(dǎo)者。結(jié)合帶有軟件工具的可編程邏輯技術(shù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)和技術(shù)服務(wù)，在世界范圍內(nèi)為14,000多個(gè)客戶(hù)提供高質(zhì)量的可編程解決方案。新產(chǎn)品系列將可編程邏輯的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)——靈活性、產(chǎn)品及時(shí)面市——和更高級(jí)性能以及集成化結(jié)合在一起，專(zhuān)為滿(mǎn)足當(dāng)今大范圍的系統(tǒng)需求而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。全面的產(chǎn)品組合不但有器件，而且還包括全集成軟件開(kāi)發(fā)工具、通用嵌入式處理器、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核、參考設(shè)計(jì)實(shí)例和各種開(kāi)發(fā)套件等。
2015年，英特爾宣布以167億美元收購(gòu)FPGA廠商Altera。這是英特爾公司歷史上規(guī)模最大的一筆收購(gòu)。隨著收購(gòu)?fù)瓿桑珹ltera將成為英特爾旗下可編程解決方案事業(yè)部（Programmable Solutions Group），丹·麥克納馬拉（Dan McNamara）將擔(dān)任這一部門(mén)的負(fù)責(zé)人。新成立的可編程解決方案事業(yè)部將攜手英特爾現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心事業(yè)部與物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部，一起開(kāi)發(fā)“高度定制化和高度集成化的產(chǎn)品。”新的一體化芯片最初將帶來(lái)30%至50%的性能提升，而最終的性能提升將達(dá)到2到3倍。這樣的計(jì)算性能對(duì)于人臉識(shí)別等計(jì)算任務(wù)很重要。
Altera公司產(chǎn)品
公司名稱(chēng)：Lattice
總部：美國(guó)俄勒岡州
官網(wǎng)：http://www.latticesemi.com/zh-CN
萊迪思提供業(yè)界領(lǐng)先的SERDES產(chǎn)品。 FPGA和PLD是廣泛使用的半導(dǎo)體元件，最終用戶(hù)可以將其配置成特定的邏輯電路，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。萊迪思的最終用戶(hù)主要是通訊、計(jì)算機(jī)、工業(yè)、汽車(chē)、醫(yī)藥、軍事及消費(fèi)品市場(chǎng)的原始設(shè)備生產(chǎn)商。
萊迪思為當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面的解決方案，包括能提供瞬時(shí)上電操作、安全性和節(jié)省空間的單芯片解決方案的一系列無(wú)可匹敵的非易失可編程器件。
2015年Lattice以6億美元收購(gòu)了Silicon Image；2016年4月紫光宣布在公開(kāi)市場(chǎng)收購(gòu)Lattice 6.07%股權(quán)，致使Lattice的股票股價(jià)大漲18%；2016年11月3日， Lattice被Canyon Bridge 以13億美元收購(gòu)，致使Lattice股價(jià)暴漲近20%，但此次收購(gòu)最終被特朗普叫停，目前還在持續(xù)關(guān)注最新進(jìn)展。Canyon Bridge Capital Partners創(chuàng)始人周斌(Benjamin Chow)正面臨起訴。
Lattice公司產(chǎn)品
公司名稱(chēng)：Microsemi
總部：美國(guó)加利福尼亞州爾灣市
官網(wǎng)：http://www.latticesemi.com/zh-CN
2010年10月，美高森美（Microsemi）宣布，與愛(ài)特公司(Actel Corporation)達(dá)成最終協(xié)議，以每股20.88美元的現(xiàn)金邀約收購(gòu)愛(ài)特公司。收購(gòu)Actel后，美高森美一路走高，成為FPGA市場(chǎng)四大巨頭之一。
美高森美在業(yè)內(nèi)久負(fù)盛名，因?yàn)樵摴臼敲绹?guó)國(guó)防軍工FPGA器件頂級(jí)供應(yīng)商，每年都會(huì)出現(xiàn)在美國(guó)國(guó)防預(yù)算名單中，在高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域有出眾且獨(dú)特的芯片制造工藝技術(shù)，美國(guó)航空航天市場(chǎng)的FPGA電子器件幾乎由其一家承包，軍工方面有賽靈思和altera競(jìng)爭(zhēng)。
美高森美主要產(chǎn)品包括：SMSC芯片、橋式整流器、三相整流橋、二極管整流模塊、單相整流模塊、三相整流模塊、高壓硅堆、快恢復(fù)整流模塊、晶閘管模塊及其它半導(dǎo)體器件和芯片。產(chǎn)品達(dá)到美國(guó)軍用/航空二極管標(biāo)準(zhǔn)，主要出口美國(guó)、廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備、醫(yī)療器械、汽車(chē)、衛(wèi)星、通訊及軍用/航天等領(lǐng)域。
另外，美高森美在中國(guó)上海有一家制造工廠。集團(tuán)于2017年3月21日在納斯達(dá)克發(fā)布上市公司公告稱(chēng)，正式宣布基于集團(tuán)公司戰(zhàn)略發(fā)展方向調(diào)整的原因，開(kāi)始關(guān)閉其在中國(guó)的生產(chǎn)設(shè)施。
公司名稱(chēng)：Achronix
總部：美國(guó)
官網(wǎng)：https://www.achronix.com/
Achronix半導(dǎo)體公司是一家提供高性能，高密度FPGA方案的美國(guó)高科技公司。公司擁有兩個(gè)主要產(chǎn)品線(xiàn)。其中一個(gè)商業(yè)FPGA線(xiàn)被命名為Speedster，這款產(chǎn)品系列的最高頻率將達(dá)到1.5GHz,要比其他所有FGPA的頻率都快。Speedster和Achronix公司的其他產(chǎn)品線(xiàn)，可適用于高輻射和惡劣溫度等環(huán)境，利用該公司的專(zhuān)利技術(shù)picoPIPE，可使得傳統(tǒng)的FPGA的吞吐量額外增加兩倍。
Archronix目前有三個(gè)產(chǎn)品系列：獨(dú)立芯片，嵌入式FPGA內(nèi)核，和客戶(hù)的芯片進(jìn)行組合封裝。
Achronix公司不久前推出了定制化的custom blocks(定制單元塊)。名為Speedcore Custom Blocks的IP新產(chǎn)品可加速數(shù)據(jù)密集的人工智能（AI）/機(jī)器學(xué)習(xí)、5G移動(dòng)通信、汽車(chē)先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
Achronix將在2017年實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的銷(xiāo)售收入和業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2017年第四季度完成后，銷(xiāo)售收入將超過(guò)1億美元。其中，Speedcore是三種產(chǎn)品中增速最快的產(chǎn)品。2016年10月第一次向媒體發(fā)布，目前在公司營(yíng)收中占25%份額，預(yù)計(jì)未來(lái)三年內(nèi)將為公司整體利潤(rùn)貢獻(xiàn)50%。
Achronix作為FPGA的后來(lái)者，今年也要跨入1億美元俱樂(lè)部。新產(chǎn)品Speedcore 推出一年已占營(yíng)收1/4，未來(lái)三年將占半壁江山。在夾縫中生長(zhǎng)，Achronix的商業(yè)模式就是不走尋常路。
公司名稱(chēng)：QuickLogic
總部：美國(guó)加利福尼亞州爾灣市
官網(wǎng)：http://www.latticesemi.com/zh-CN
QuickLogic Corporation (NASDAQ: QUIK) 是協(xié)助 OEM廠商延長(zhǎng)電池續(xù)航力，以針對(duì)智能型手機(jī)、穿戴式及物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 裝置達(dá)到高差異化、身歷其境的使用者體驗(yàn)的一家公司。QuickLogic透過(guò)領(lǐng)導(dǎo)業(yè)界的超低功耗客戶(hù)可編程SoC半導(dǎo)體解決方案、嵌入式軟件、以及針對(duì)always-on語(yǔ)音及傳感器處理之算法方案提供相關(guān)優(yōu)勢(shì)。該公司的嵌入式FPGA 方案同樣讓 SoC 設(shè)計(jì)者可簡(jiǎn)單地進(jìn)行生產(chǎn)后的變更，并透過(guò)將硬件可編程能力提供至其終端產(chǎn)品而提高營(yíng)收。
QuickLogic的產(chǎn)品線(xiàn)主要包括：存儲(chǔ)，為廠商制作控制器；網(wǎng)絡(luò)：包括USB、WiFi、SPI等多種接口控制；圖形及影像處理優(yōu)化；智能及安全幾部分組成。
QuickLogic公司主要從事客戶(hù)定制化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，英文簡(jiǎn)稱(chēng)CSSP。以下有幾個(gè)案例：
2011年10月，QuickLogic宣布推出一個(gè)新的用于PolarPro ®平臺(tái)系列應(yīng)用的解決方案，該解決方案讓PolarPro ®平臺(tái)把應(yīng)用處理器上的SDIO端口連接到高通公司的調(diào)制解調(diào)器芯片組的EBI2接口上。這種新的應(yīng)用解決方案為移動(dòng)和手持設(shè)備設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)低成本、低功耗、易于使用的方案，以取代USB端口這類(lèi)通用接口。
2015年8月，QuickLogic公司推出新的EOS S3處理系統(tǒng)。EOS平臺(tái)中整合了一種革命性的架構(gòu)，因而可以實(shí)現(xiàn)行業(yè)中最先進(jìn)、計(jì)算功能最密集的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，而功耗比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)低很多。EOS平臺(tái)的獨(dú)特好處是其中有2800個(gè)有效的在線(xiàn)可重復(fù)編程邏輯單元，當(dāng)客戶(hù)為了把產(chǎn)品設(shè)計(jì)得有特色需要增加FFE或者客戶(hù)專(zhuān)用硬件時(shí)，可以使用這些邏輯單元。
2017年9月，中芯國(guó)際與QuickLogic共同宣布，基于中芯國(guó)際40納米低漏電 (40LL) 工藝，QuickLogic推出ArcticPro 嵌入式 FPGA (eFPGA)技術(shù)。QuickLogic的高級(jí)架構(gòu)、成熟軟件和IP 生態(tài)系統(tǒng)與中芯國(guó)際40LL工藝相結(jié)合，為SoC設(shè)計(jì)人員提供了易于實(shí)施、高可靠性和極低功耗的eFPGA 解決方案。ArcticPro eFPGA技術(shù)如今已應(yīng)用于各種領(lǐng)先工藝中，是業(yè)界首個(gè)在中芯國(guó)際40LL技術(shù)節(jié)點(diǎn)上提供的eFPGA IP。
國(guó)外四大FPGA巨頭概況
FPGA霸主賽靈思與阿爾特拉對(duì)比
國(guó)內(nèi)FPGA廠商（排名不分先后）：
與國(guó)際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國(guó)內(nèi)陸續(xù)誕生了一些FPGA設(shè)計(jì)公司，且有蒸蒸日上的趨勢(shì)，但在市場(chǎng)份額及技術(shù)方面和國(guó)際巨頭差距非常大，還遠(yuǎn)未達(dá)到挑戰(zhàn)領(lǐng)先巨頭的實(shí)力。
公司名稱(chēng)：深圳市國(guó)微電子股份有限公司
總部：中國(guó)深圳
官網(wǎng)：http://www.ssmec.com/
深圳市國(guó)微電子有限公司成立于1993年，是首家啟動(dòng)的國(guó)家“909”工程的集成電路設(shè)計(jì)公司。主要從事特種行業(yè)集成電路的研發(fā)、測(cè)試和銷(xiāo)售，并提供系統(tǒng)集成解決方案，是國(guó)內(nèi)最大的特種行業(yè)集成電路供應(yīng)商。
公司擁有特種微處理器、特種存儲(chǔ)器、特種可編程器件、特種總線(xiàn)、特種接口驅(qū)動(dòng)、特種電源管理和特種定制芯片七大產(chǎn)品方向200余款產(chǎn)品，同時(shí)可以為用戶(hù)提供ASIC/SOC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)服務(wù)及國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)芯片級(jí)解決方案。2012年底完成與上市公司紫光國(guó)芯股份有限公司（股票代碼：002049）重組工作，成為紫光國(guó)芯的全資子公司。
公司目前硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)包括SUN公司的服務(wù)器及HP服務(wù)器工作站群，同時(shí)并配備有先進(jìn)的EDA軟件、測(cè)試系統(tǒng)。掌握了數(shù)字邏輯（Digital）、模擬混合（Mixed-Signal）芯片的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程。在高性能微處理器、高性能可編程器件、存儲(chǔ)類(lèi)器件、總線(xiàn)器件、接口驅(qū)動(dòng)器件、電源芯片和其它專(zhuān)用芯片等領(lǐng)域具有芯片設(shè)計(jì)能力以及相應(yīng)整機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用方案開(kāi)發(fā)能力。
開(kāi)發(fā)出完整的基礎(chǔ)單元庫(kù)，積累了豐富的IP核，如32位嵌入式微控制器核、嵌入式FPGA、高速SERDES等。擁有65納米以上CMOS、0.18微米EEPROM/Flash、0.35微米BCD、2.0微米Bipolar工藝制程的IC設(shè)計(jì)成功經(jīng)驗(yàn)，可提供數(shù)字、數(shù)模混合等專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。
公司名稱(chēng)：西安智多晶微電子有限公司
總部：中國(guó)陜西
官網(wǎng)：http://www.isilicontech.com/
西安智多晶微電子有限公司，Xian Intelligence Silicon Technology, Inc. （XiST) ，自2012年成立以來(lái)，智多晶一直專(zhuān)注于可編程邏輯電路器件技術(shù)的研發(fā)生產(chǎn)，遵循公司CEO賈紅先生提出的經(jīng)營(yíng)理念——“做國(guó)內(nèi)頂尖的FPGA設(shè)計(jì)公司，成為國(guó)內(nèi)最受人尊敬的企業(yè)”。公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售可編程集成電路、設(shè)備、芯片、可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)、軟件、并且針對(duì)目標(biāo)市場(chǎng)的需求，開(kāi)發(fā)代碼和IP、提供終端客戶(hù)完整解決方案。
公司緊緊抓住可編程邏輯電路器件研發(fā)的技術(shù)核心，在LED驅(qū)動(dòng)、高端醫(yī)療、智能儀表、工業(yè)控制等四大應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)創(chuàng)新并推出相關(guān)產(chǎn)品，提供高質(zhì)量，低功耗，低成本，馬上可投入量產(chǎn)的系統(tǒng)集成解決方案。智多晶現(xiàn)有產(chǎn)品Seagull 1000系列、sealion2000系列及在研seal 5000系列，智多晶的產(chǎn)品得到業(yè)界的廣泛好評(píng)，并已應(yīng)用到民用市場(chǎng)、安防和國(guó)防建設(shè)的多個(gè)領(lǐng)域,其中sealion2000系列12K產(chǎn)品出貨量已達(dá)到百萬(wàn)片。
智多晶核心團(tuán)隊(duì)組合匯集美國(guó)硅谷及中國(guó)等地各方面的人才，具有20年以上的集成電路產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)經(jīng)驗(yàn)。積累了豐富的和系統(tǒng)的可編程電路研發(fā)專(zhuān)有技術(shù)群。團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)開(kāi)發(fā)了好幾代的可編程邏輯電路芯片制造工藝，成功地推出世界一流的可編程邏輯電路芯片。為前公司創(chuàng)造了每年10億的產(chǎn)值。是全世界除了四家美國(guó)公司之外，第五個(gè)跨過(guò)技術(shù)門(mén)檻的團(tuán)隊(duì)。
公司名稱(chēng)：廣東高云半導(dǎo)體科技股份有限公司
總部：中國(guó)廣東
官網(wǎng)：http://www.gowinsemi.com.cn/
高云半導(dǎo)體于 2014 年1月成立，公司以國(guó)產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化為核心，旨在推出具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民族品牌FPGA 芯片，提供集設(shè)計(jì)軟件、IP核、參照設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)板、定制服務(wù)等一體化完整解決方案的民營(yíng)高科技公司，打造高端集成電路領(lǐng)域的民族品牌，發(fā)展成為中國(guó)集成電路行業(yè)的骨干企業(yè)之一。
公司科研實(shí)力雄厚，打造了一支具有極強(qiáng)的自主創(chuàng)新研發(fā)能力的科研團(tuán)隊(duì)，建設(shè)有上海、濟(jì)南兩個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心和美國(guó)硅谷的前沿技術(shù)研發(fā)中心，研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模近百人，70％以上具有碩士及以上學(xué)歷，核心研發(fā)人員平均從事核心FPGA軟件、硬件技術(shù)開(kāi)發(fā)超過(guò)15年以上，入選省市各類(lèi)高層次人才計(jì)劃十余人。
高云半導(dǎo)體自成立以來(lái)，堅(jiān)持正向設(shè)計(jì)，歷經(jīng)三年厲兵秣馬，先后推出了晨熙、小蜜蜂兩個(gè)家族、4個(gè)系列FPGA產(chǎn)品，涵蓋了11個(gè)型號(hào)、50多種封裝的芯片，一躍成為國(guó)產(chǎn)FPGA領(lǐng)導(dǎo)者。其中國(guó)產(chǎn)自主可控關(guān)鍵元器件55納米工藝FPGA芯片于2015年獲得廣東省高新技術(shù)產(chǎn)品榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。
10月26日，廣東高云半導(dǎo)體科技股份有限公司發(fā)布了小而專(zhuān)的GW1NS-2 SoC、高精尖的GW3AT高性能FPGA和RISC-V平臺(tái)化產(chǎn)品。
上海安路信息科技有限公司
總部：中國(guó)上海
官網(wǎng)：http://www.anlogic.com/
上海安路信息科技有限公司成立于2011年，總部位于上海。公司專(zhuān)注于為客戶(hù)提供高集成度、高性?xún)r(jià)比的可編程邏輯器件、可編程系統(tǒng)級(jí)芯片、定制化可編程芯片、及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)工具和創(chuàng)新系統(tǒng)解決方案。
公司創(chuàng)始人及核心團(tuán)隊(duì)來(lái)自海外高級(jí)技術(shù)管理人才、國(guó)外FPGA公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)骨干以及學(xué)術(shù)界資深FPGA科研人員組成。公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)70%具有碩士或博士學(xué)位，多數(shù)畢業(yè)于復(fù)旦、交大、UCLA、UIUC等國(guó)內(nèi)外高校。核心團(tuán)隊(duì)大都在世界著名的FPGA公司和EDA公司中從事過(guò)10年以上高級(jí)技術(shù)研發(fā)和管理工作，參與開(kāi)發(fā)了多款世界領(lǐng)先的FPGA 芯片和最好的EDA 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。
安路科技已量產(chǎn)ELF和EAGLE等系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可編程邏輯器件產(chǎn)品，相比國(guó)外同類(lèi)芯片，提供更多資源、更高性能、更優(yōu)性?xún)r(jià)比。公司開(kāi)發(fā)的全流程TD軟件系統(tǒng)和硬件芯片完美地結(jié)合在一起，提供了用戶(hù)從前端綜合到位流生成和片上調(diào)試的完整開(kāi)發(fā)平臺(tái)。公司在核心架構(gòu)、軟件算法和系統(tǒng)集成方面擁有多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利。
安路科技根植中國(guó)，面向世界，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，努力成為中國(guó)可編程邏輯器件產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)企業(yè)和世界可編程邏輯器件解決方案的主要供應(yīng)商。
深圳市紫光同創(chuàng)電子有限公司
總部：深圳
官網(wǎng)：http://www.pangomicro.com/
深圳市紫光同創(chuàng)電子有限公司（原深圳市同創(chuàng)國(guó)芯電子有限公司）成立于2013年，注冊(cè)資本人民幣15000萬(wàn)元，是上市公司紫光國(guó)芯股份有限公司旗下公司。紫光同創(chuàng)總部設(shè)在深圳，同時(shí)在上海漕河涇新興技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和北京海淀區(qū)分別設(shè)有分公司。2016年6月，公司由原深圳市同創(chuàng)國(guó)芯電子有限公司更名為深圳市紫光同創(chuàng)電子有限公司。
公司核心團(tuán)隊(duì)均來(lái)自國(guó)外知名FPGA廠商，具有超過(guò)10年的FPGA研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，公司承接多項(xiàng)國(guó)家核高基課題任務(wù)，擁有近200項(xiàng)FPGA領(lǐng)域自主產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利。公司主要產(chǎn)品為高性能可重構(gòu)系統(tǒng)芯片，產(chǎn)品主要應(yīng)用于各類(lèi)通信設(shè)備、終端設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備。
2017年10月，在IC China 展會(huì)上展示了Titan系列高性能FPGA、Logos系列高性?xún)r(jià)比FPGA、PGX系列高集成度SoPC、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)板卡等產(chǎn)品，并展示了可編程網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)領(lǐng)先解決方案。
上海遨格芯微電子有限公司(AGM)
總部：中國(guó)上海
官網(wǎng)：http://www.alta-gate.com/
AGM在杭州、上海和北京設(shè)有辦公室，自公司2012年創(chuàng)辦以來(lái)，始終專(zhuān)注于研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPGA核心軟件和硬件技術(shù)。已經(jīng)推出三個(gè)系列的CPLD、FPGA、Programmable SoC產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)，已得到多家知名廠商認(rèn)證，在多元化的市場(chǎng)量產(chǎn)出貨，是首家得到國(guó)內(nèi)商用市場(chǎng)認(rèn)可的國(guó)產(chǎn)FPGA供應(yīng)商，并通過(guò)三星供應(yīng)商認(rèn)證的產(chǎn)品。
AGM在軟件和電路上擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在產(chǎn)品方面目前走的是兼容主流大廠并軟硬件生態(tài)不變的路線(xiàn)，在芯片內(nèi)部接口兼容主流廠商器件，PCB板級(jí)可以直接替換并用AGM編譯軟件導(dǎo)入燒寫(xiě)。
京微雅格（北京）科技有限公司
總部：中國(guó)北京
官網(wǎng)：http://www.capital-micro.com/
2003年，京微雅格的前身在美國(guó)硅谷創(chuàng)立，2005年公司遷至北京，主要從事FPGA開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)10年的技術(shù)積累，目前擁有90多項(xiàng)已授權(quán)專(zhuān)利，開(kāi)發(fā)出CME C系列、M系列、R系列、P系列產(chǎn)品，并在國(guó)內(nèi)從事FPGA開(kāi)發(fā)的公司中處于領(lǐng)先地位，最新發(fā)布的CME-C1的容量達(dá)2000萬(wàn)門(mén)級(jí)別，采用臺(tái)積電的40nm CMOS工藝流片，已經(jīng)可以在中低端市場(chǎng)局部實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外FPGA的替換。
日前，集成電路設(shè)計(jì)公司京微雅格經(jīng)營(yíng)上遭遇困境在行業(yè)界引發(fā)不小的震動(dòng)。2014年，這家公司承接了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)FPGA研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，致力于在通信、工業(yè)、航天、國(guó)防、消費(fèi)電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的FPGA自主研發(fā)。然而有消息稱(chēng)京微雅格公司負(fù)債3000萬(wàn)，并拖欠員工兩個(gè)月的薪資，經(jīng)歷資金困難，股權(quán)重組后，有消息傳出京微雅格已經(jīng)“倒閉”，雖然京微后來(lái)出面澄清公司只是經(jīng)營(yíng)遇到了困難并非真的倒閉，但這一傳言還是給整個(gè)行業(yè)帶來(lái)不小的震動(dòng)。
三、FPGA市場(chǎng)現(xiàn)狀
當(dāng)今，半導(dǎo)體市場(chǎng)格局已成三足鼎立之勢(shì)，F(xiàn)PGA，ASIC和ASSP三分天下。市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA已經(jīng)逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統(tǒng)市場(chǎng)，并處于快速增長(zhǎng)階段。
在全球市場(chǎng)中，Xilinx(＄233.7100)、Altera兩大公司對(duì)FPGA的技術(shù)與市場(chǎng)仍然占據(jù)絕對(duì)壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場(chǎng)份額，專(zhuān)利達(dá)6000余項(xiàng)之多，而且這種壟斷仍在加強(qiáng)。同時(shí)，美國(guó)政府對(duì)我國(guó)的FPGA產(chǎn)品與技術(shù)出口進(jìn)行苛刻的審核和禁運(yùn)，使得國(guó)家在航天、航空乃至國(guó)家安全領(lǐng)域都受到嚴(yán)重制約。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPGA技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)打破美國(guó)企業(yè)和政府結(jié)合構(gòu)成的壟斷，及國(guó)家利益意義深遠(yuǎn)。
全球FPGA市場(chǎng)幾乎被xilinx和Altera壟斷
FPGA國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
目前中國(guó)IC廠商在FPGA這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域和國(guó)外巨頭的差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他領(lǐng)域要大。
FPGA技術(shù)門(mén)檻非常高，核心技術(shù)只掌握在及其少數(shù)的公司手上，而且xilinx和atlera手頭握有6000多項(xiàng)專(zhuān)利，對(duì)后進(jìn)者形成很高的技術(shù)壁壘，國(guó)內(nèi)廠商要么和國(guó)外巨頭專(zhuān)利交叉授權(quán)，要么花錢(qián)買(mǎi)專(zhuān)利，但當(dāng)前我們并沒(méi)有多少專(zhuān)利可以和xilinx和altera進(jìn)行交叉許可，購(gòu)買(mǎi)難度更大，這不僅僅是資金的問(wèn)題。從canyon bridge收購(gòu)lattice被美國(guó)否決來(lái)看，凡涉及到美國(guó)國(guó)家安全的高新技術(shù)公司，我國(guó)是不可能通過(guò)收購(gòu)來(lái)獲得的，lattice在行業(yè)內(nèi)充其量是第二團(tuán)隊(duì)尚且如此，業(yè)界領(lǐng)先的企業(yè)我國(guó)更難獲得。
國(guó)內(nèi)FPGA的發(fā)展只能靠自主，雖然這個(gè)過(guò)程可能會(huì)很漫長(zhǎng)，但除此之外沒(méi)有更好的選擇。芯片的自主設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關(guān)的基礎(chǔ)芯片（手機(jī)芯片、PC處理器等）需要實(shí)現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來(lái)源于美國(guó)，包括歐洲和日本等技術(shù)強(qiáng)國(guó)也沒(méi)有掌握到核心技術(shù)。
對(duì)于中國(guó)而言，國(guó)家促進(jìn)集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國(guó)家戰(zhàn)略。同時(shí)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景（軍工、導(dǎo)彈、航天航空）的要求的FPGA，國(guó)外對(duì)中國(guó)是禁運(yùn)的，這也從另一方面促成國(guó)內(nèi)FPGA自制的契機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領(lǐng)域。
在民用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)是FPGA需求最大的市場(chǎng)，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶(hù)就在中國(guó)，通訊市場(chǎng)華為中興烽火包攬了全國(guó)60%以上的量。中國(guó)FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場(chǎng)足夠大，有需求就要有相應(yīng)產(chǎn)品來(lái)支持。這對(duì)于國(guó)內(nèi)廠家就是機(jī)會(huì)，目前，同方國(guó)芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實(shí)現(xiàn)一部分的國(guó)產(chǎn)替代。
最后，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設(shè)計(jì)能力的不斷加強(qiáng)，我們自己可以自主設(shè)計(jì)和流片ARM架構(gòu)的手機(jī)CPU（海思麒麟、大唐聯(lián)芯），并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們?cè)谶^(guò)去積累的技術(shù)沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們?cè)贔PGA的特定應(yīng)用領(lǐng)域（軍工、通訊）實(shí)現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來(lái)也可能類(lèi)似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中，這些應(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控。
人才需求
中國(guó)每年對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)人才的需求缺口巨大，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人才的薪水也是行業(yè)內(nèi)最高的。目前，美國(guó)已有FPGA人才40多萬(wàn)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也有7萬(wàn)多，而中國(guó)內(nèi)地僅有1萬(wàn)左右，可見(jiàn)中國(guó)渴望有更多的FPGA人才涌現(xiàn)出來(lái)。
四、FPGA的未來(lái)
作為一種可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA在短短二十多年中從電子設(shè)計(jì)的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計(jì)技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過(guò)FPGA器件的發(fā)展歷程來(lái)看，今后仍將朝下以下幾個(gè)方向發(fā)展：
· 高密度、高速度、寬頻帶、高保密；
· 低電壓、低功耗、低成本、低價(jià)格；
· IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成；
· 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)以及單片集群；
· 緊密結(jié)合應(yīng)用需求，多元化發(fā)展。
此外，集成了FPGA 架構(gòu)、硬核CPU 子系統(tǒng)（ARM/MIPS/MCU）及其他硬核IP 的芯片已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”，它將在今后數(shù)十年中得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。例如，以應(yīng)用為導(dǎo)向，在受專(zhuān)利保護(hù)的FPGA平臺(tái)架構(gòu)上無(wú)縫集成特定功能模塊，以形成具備行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（高性?xún)r(jià)比）的獨(dú)特產(chǎn)品。
從技術(shù)上來(lái)看，GPU、FPGA 和 ASIC 都各有千秋。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，GPU 擁有最完善的生態(tài)系統(tǒng)支撐，具有較大的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。
人工智能在推理環(huán)節(jié)應(yīng)用剛起步，云端要比前端設(shè)備發(fā)展速度更快。下面我們將重點(diǎn)講述一下云端數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)中心，F(xiàn)PGA 使用日益廣泛，而 ASIC 路線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)太高，目前僅有谷歌批量部署了 TPU。
FPGA 已在全球七大數(shù)據(jù)中心實(shí)際部署
FPGA 最大的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)可重配、性能功耗比高，非常適合在云端數(shù)據(jù)中心部署。
當(dāng)在數(shù)據(jù)中心部署之后，F(xiàn)PGA 可以根據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)來(lái)配臵不同的邏輯實(shí)現(xiàn)不同的硬件加速功能。以騰訊云為例，當(dāng)前服務(wù)器上的 FPGA 板卡部署的是圖片壓縮邏輯，服務(wù)于 QQ 業(yè)務(wù)；而此時(shí)廣告實(shí)時(shí)預(yù)估需要擴(kuò)容獲得更多的 FPGA 計(jì)算資源，通過(guò)簡(jiǎn)單的 FPGA 重配流程，F(xiàn)PGA 板卡即可以變身成“新”硬件來(lái)服務(wù)廣告實(shí)時(shí)預(yù)估，非常適合批量部署。
FPGA 的性能功耗比顯著高于 GPU。以普遍使用在服務(wù)器中的 FPGA型號(hào) A10GX660 為例，性能/功耗能達(dá)到 45GFLOPS/W，而對(duì)應(yīng)的 GPU 型號(hào) M4，性能/功耗能達(dá)到29GFLOPS/W。依次測(cè)算 FPGA 性能功耗比要高 50%。
近兩年，全球七大超級(jí)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心包括 IBM、Facebook、微軟、AWS 以及 BAT都采用了 FPGA 服務(wù)器。在這方面，中國(guó)和美國(guó)處以同一起跑線(xiàn)。
大超級(jí)數(shù)據(jù)中心都采用了 FPGA
行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)：FPGA 大有可為
比使用現(xiàn)狀更重要的是未來(lái)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，F(xiàn)PGA 潛力被低估了，未來(lái)大有可為。具體如下：
算法正在快速迭代中
人工智能算法正處于快速迭代中。雖然 ASIC 芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低；但是 AISC 開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)極大，需要有足夠大的市場(chǎng)來(lái)保證成本價(jià)格，而且從研發(fā)到市場(chǎng)的時(shí)間周期很長(zhǎng)，不適合例如深度學(xué)習(xí) CNN 等算法正在快速迭代的領(lǐng)域。因此，推出 ASIC 芯片風(fēng)險(xiǎn)非常高，且成本太高，只有谷歌等極少數(shù)公司敢于嘗試。
更重要的是，當(dāng)前人工智能算法模型的發(fā)展趨勢(shì)是從訓(xùn)練環(huán)節(jié)向推理環(huán)節(jié)走，這個(gè)過(guò)程非常有利于 FPGA 未來(lái)的發(fā)展。人工智能算法模型從訓(xùn)練環(huán)節(jié)走向推理環(huán)節(jié)并不是簡(jiǎn)單搬運(yùn)過(guò)去。訓(xùn)練出來(lái)的算法模型往往規(guī)模太大，復(fù)雜度太高，無(wú)法直接部署實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)在，人工智能算法模型研究的重要趨勢(shì)就是將訓(xùn)練后的模型再進(jìn)行壓縮，在基本不損失模型精度的情況下，將模型壓縮到原來(lái)的幾十分之一，再應(yīng)用到推理環(huán)節(jié)。
模型壓縮是從訓(xùn)練環(huán)節(jié)走向推理環(huán)節(jié)的必要過(guò)程
以深鑒科技的研究成果為例，公司發(fā)布的論文《ESE: Efficient Speech Recognition Engine with Sparse LSTM on FPGA》指出，長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）被廣泛用于語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)更高的預(yù)測(cè)精度，機(jī)器學(xué)習(xí)研究者們構(gòu)建了越來(lái)越大的模型。然而這樣的模型十分耗費(fèi)計(jì)算和存儲(chǔ)資源。部署此類(lèi)笨重的模型會(huì)給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)很高的功耗，從而帶來(lái)很高的總擁有成本（TCO）。
公司提出了一種可以在幾乎沒(méi)有預(yù)測(cè)精度損失的情況下將 LSTM 模型的尺寸壓縮 20 倍（10 倍來(lái)自剪枝和 2 倍來(lái)自量化）的負(fù)載平衡感知剪枝（load-balance-aware pruning）方法。
最后，它們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以直接在這種壓縮模型上工作的硬件框架—Efficient Speech Recognition Engine (ESE)。該框架使用了運(yùn)行頻率為 200MHz 的 Xilinx XCKU060 FPGA，具有以 282 GOPS 的速度直接運(yùn)行壓縮 LSTM 網(wǎng)絡(luò)的性能，相當(dāng)于在未壓縮 LSTM 網(wǎng)絡(luò)上 2.52TOPS 的速度；此外，該框架執(zhí)行一個(gè)用于語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)的全 LSTM 僅需 41W 功耗。在基于 LSTM 的語(yǔ)音基準(zhǔn)測(cè)試中，ESE 的速度為英特爾 Core i7 5930k CPU 的 43 倍，英偉達(dá) Pascal Titan X GPU 的 3 倍。它的能量效率分別為以上兩種處理器的 40 倍和 11.5 倍。
這篇論文驗(yàn)證了我們上述觀點(diǎn)：
人工智能算法正處于快速迭代中。公司提出的新算法，可以在幾乎沒(méi)有預(yù)測(cè)精度損失的情況下將 LSTM 模型的尺寸壓縮 20 倍（10 倍來(lái)自剪枝和 2 倍來(lái)自量化）。在算法能夠帶來(lái)數(shù)量級(jí)的性能提升下，想要將算法固化在 ASIC 中來(lái)獲得效率提升的想法是不切實(shí)際的。
采用了搭建在 FPGA 上的硬件框架 ESE，獲得了高一個(gè)數(shù)量級(jí)的能量效率提升。ESE 的速度為英特爾 Core i7 5930k CPU 的 43 倍，英偉達(dá) Pascal Titan X GPU 的 3 倍。它的能量效率分別為以上兩種處理器的 40 倍和 11.5 倍。采用 FPGA 搭建硬件框架充分發(fā)揮了 FPGA 萬(wàn)能芯片的特性，性能遠(yuǎn)超 GPU 等。
芯片 NRE 費(fèi)用在指數(shù)級(jí)上升
集成電路行業(yè)的特點(diǎn)是贏家通吃，像 CPU 處理器，只有英特爾一家獨(dú)大，門(mén)檻極高。而隨著芯片制程工藝的提升，芯片 NRE 費(fèi)用呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升。這樣導(dǎo)致的結(jié)果是需要收回成本的芯片銷(xiāo)售規(guī)模門(mén)檻越來(lái)越高。市場(chǎng)上能夠滿(mǎn)足如此大市場(chǎng)規(guī)模要求的單品是非常少的。
芯片設(shè)計(jì)成本隨著制程提升呈指數(shù)級(jí)上升
而 FPGA 則可以受益于指數(shù)級(jí)成本上升帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)。因?yàn)?FPGA 的 NRE 成本可以攤到上千個(gè)小項(xiàng)目上，從而讓每個(gè)項(xiàng)目只分擔(dān)幾十萬(wàn)美元的 NRE。比如開(kāi)發(fā)一款 14nm 的 FPGA，假設(shè)需要一億美元，其性能可以達(dá)到 45nm ASIC 的水平。然后有 1000 個(gè)有 45nm 工藝要求的項(xiàng)目可以采用該 FPGA 來(lái)解決問(wèn)題，他們支付不了45nm 工藝數(shù)千萬(wàn)美元的 NRE，但是通過(guò)分?jǐn)偟姆绞矫考抑Ц稁资f(wàn)美元可以使用14nm 的 FPGA 產(chǎn)品。
因此，隨著芯片 NRE 費(fèi)用指數(shù)級(jí)上升，越來(lái)越多的 ASIC 芯片將由于達(dá)不到規(guī)模經(jīng)濟(jì)而被迫放棄，從而轉(zhuǎn)向直接基于 FPGA 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。而 FPGA 可以受益于指數(shù)級(jí)成本上升帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)。
來(lái)源：芯師爺
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