FPGA 是可以先購(gòu)買(mǎi)再設(shè)計(jì)的“萬(wàn)能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu)，讓客戶不必依賴(lài)由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。廣泛應(yīng)用在原型驗(yàn)證、通信、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、航空航天、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

Altera LUT4 架構(gòu)

FPGA 硬件三大指標(biāo)：制程、門(mén)級(jí)數(shù)及 SERDES 速率，配套 EDA 軟件工具同樣重要。比較 FPGA 產(chǎn)品可以從技術(shù)指標(biāo)入手。從 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時(shí)鐘管理（CMT）、嵌入塊式 RAM（BRAM）、布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和專(zhuān)用硬件模塊等。

根據(jù)賽靈思披露的數(shù)據(jù)，一個(gè) LUT6 等效 1.6 個(gè) LC，一個(gè) LC 對(duì)應(yīng)幾十到上百“門(mén)”，1000 萬(wàn)門(mén)約等于 10 萬(wàn) LC，即 100K CLB 級(jí)別 FPGA。與 ASIC 不同的是，客戶在選購(gòu) FPGA 產(chǎn)品不僅考慮硬件參數(shù)，配套 EDA 軟件的性能也同樣重要。目前國(guó)內(nèi)廠商高端產(chǎn)品在硬件性能指標(biāo)上均與賽靈思高端產(chǎn)品有較大差距。

相對(duì)于ASIC，F(xiàn)PGA具有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1、可編輯，更靈活

2、產(chǎn)品上市時(shí)間短，節(jié)省了 ASIC 流片周期

3、避免一次性工程費(fèi)用，用量較小時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)。

1）靈活性：通過(guò)對(duì) FPGA 編程，F(xiàn)PGA 能夠執(zhí)行 ASIC 能夠執(zhí)行的任何邏輯功能。FPGA 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其靈活性，即隨時(shí)可以改變芯片功能，在技術(shù)還未成熟的階段，這種特性能夠降低產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn)，在 5G 初期這種特性尤為重要。

2）上市時(shí)間：由于 FPGA 買(mǎi)來(lái)編程后既可直接使用，F(xiàn)PGA 方案無(wú)需等待三個(gè)月至一年的芯片流片周期，為企業(yè)爭(zhēng)取了產(chǎn)品上市時(shí)間。

3）成本：FPGA 與 ASIC 主要區(qū)別在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒(méi)有，在使用量小的時(shí)候，F(xiàn)PGA 方案由于無(wú)需支付一次性百萬(wàn)美元的流片成本，同時(shí)也不用承擔(dān)流片失敗風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)PGA 方案的成本低于 ASIC，隨著使用量的增加，F(xiàn)PGA 方案在成本上的優(yōu)勢(shì)逐漸縮小，超過(guò)某一使用量后，ASIC 方案由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，在成本上更有優(yōu)勢(shì)。

FPGA 方案和 ASIC 方案成本比較

4）技術(shù)趨勢(shì)：制程迭代驅(qū)動(dòng) 33 年發(fā)展，平臺(tái)型產(chǎn)品是未來(lái)。
1985 年賽靈思發(fā)明 FPGA 以來(lái)，其容量提高了一萬(wàn)倍以上，速度提高了一百倍以上，價(jià)格和能耗縮小了一千倍以上。受到先進(jìn)制程迭代的推動(dòng)，F(xiàn)PGA 的架構(gòu)不斷更新。1985 年，Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064，采用 2μm 工藝，包含 64 個(gè)邏輯模塊和 85,000 個(gè)晶體管，門(mén)數(shù)量不超過(guò) 1000 個(gè)。對(duì)比 2016 年賽靈思發(fā)布的 VIRTEX UltraScale，16nm 制程，系統(tǒng)邏輯單元最高達(dá)378 萬(wàn)個(gè)。FPGA 制程迭代在提高算力的同時(shí)降低了功耗，減小了芯片面積，推動(dòng)了 FPGA 的性能提升。

未來(lái)，在技術(shù)趨勢(shì)上，制程迭代+平臺(tái)產(chǎn)品將是未來(lái)產(chǎn)品發(fā)展方向。我們?nèi)匀豢春孟冗M(jìn)制程帶給 FPGA 的性能提升，同時(shí)新的產(chǎn)品形態(tài)（平臺(tái)型產(chǎn)品）的出現(xiàn)讓FPGA 性能有了進(jìn)一步提升的可能。

Xilinx 和 Intel 相繼發(fā)布 ACAP 和 Agilex 平臺(tái)型產(chǎn)品，根據(jù) Xilinx 披露的數(shù)據(jù)，新的平臺(tái)型產(chǎn)品速度超過(guò)當(dāng)前最高速的 FPGA 20倍、比目前最快的 CPU 快 100 倍，該平臺(tái)面向數(shù)據(jù)中心、有線網(wǎng)絡(luò)、5G 無(wú)線和汽車(chē)駕駛輔助應(yīng)用。產(chǎn)品進(jìn)展方面，2019 年 6 月 19 日 Versal AI Core 及 Versal Prime系列組件小規(guī)模出貨，量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)在 2019 下半年。

技術(shù)、專(zhuān)利、人才壁壘高，國(guó)產(chǎn)替代迎難而上
FPGA是一個(gè)技術(shù)壁壘高的行業(yè)，有人認(rèn)為FPGA公司就是半個(gè) IC 設(shè)計(jì)公司+半個(gè)軟件公司，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且良率低，軟硬協(xié)同再提研發(fā)難度。FPGA 企業(yè)的硬件開(kāi)發(fā)部分屬于典型的 IC 設(shè)計(jì)企業(yè)，與一般 IC設(shè)計(jì)企業(yè)不同的是，由于 FPGA 硬件需要配套 EDA 軟件一起使用，F(xiàn)PGA 公司通常需要自行研發(fā)適配自家硬件的 EDA 軟件，因此也算半個(gè) EDA 軟件公司。由于FPGA 版圖及布線復(fù)雜，硬件設(shè)計(jì)難度較大，加之軟件和硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)工程的難度再升級(jí)。

核心專(zhuān)利被頭部公司壟斷，國(guó)產(chǎn)廠商披荊斬棘艱難前行，專(zhuān)利有效期結(jié)束或帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。在專(zhuān)利上國(guó)外廠商目前占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Xilinx 和 Altera （Intel）在 FPGA 領(lǐng)域的專(zhuān)利數(shù)近 10,000 個(gè)，而國(guó)產(chǎn)廠商如紫光同創(chuàng)專(zhuān)利數(shù)僅約 200 項(xiàng)，相差懸殊。未來(lái)隨著部分專(zhuān)利的有效期結(jié)束，及國(guó)產(chǎn)廠商在新專(zhuān)利上的突破，專(zhuān)利上的壟斷格局或迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化程度低，硬件自主可控進(jìn)程難以阻擋，國(guó)產(chǎn)當(dāng)自強(qiáng)。產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，硬件產(chǎn)業(yè)鏈中目前自主可控程度較低，尤其在高端半導(dǎo)體設(shè)備和材料領(lǐng)域，未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈上下游國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的推進(jìn)也將助力國(guó)產(chǎn) FPGA 加速發(fā)展。

硬件部分上游：EDA+IP。硬件開(kāi)發(fā)用的EDA仍是Cadence、Synopsys及 MentorGraphics，IP來(lái)源包括外部授權(quán)和內(nèi)部開(kāi)發(fā)。

硬件部分下游：代工廠+封測(cè)。其中代工廠國(guó)內(nèi)廠商主要與臺(tái)積電及中芯國(guó)際合作，封測(cè)主要和日月光等合作。

FPGA 硬件產(chǎn)業(yè)鏈


全球 63 億美元市場(chǎng)，Xilinx 與 Intel雙寡頭
FPGA 是集成電路大產(chǎn)業(yè)中的小領(lǐng)域，5G 和 AI 為行業(yè)增長(zhǎng)提供確定性，國(guó)產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn) FPGA 市場(chǎng)騰飛在即。根據(jù) WSTS 的數(shù)據(jù)，2018 年全球集成電路市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 4,688 億美元，同期全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約 63 億美元，僅占集成電路市場(chǎng)約 1.34%。市場(chǎng)雖小，但未來(lái)受益于 5G 基礎(chǔ)設(shè)施全球布局及 AI技術(shù)持續(xù)發(fā)展，F(xiàn)PGA 行業(yè)需求量增長(zhǎng)具確定性。行業(yè)增長(zhǎng)下，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程將進(jìn)一步加速?lài)?guó)產(chǎn) FPGA 的增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2017 年國(guó)內(nèi)FPGA 市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)率低于 1%，隨著技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn) FPGA 騰飛在即。

全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)攀升，亞太是 FPGA 主要市場(chǎng)，未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展可期。根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模 2019 年達(dá)到 69 億美元，2025 年達(dá)到 125億美元，未來(lái)市場(chǎng)增速穩(wěn)中有升。亞太區(qū)占比達(dá)到 42%，是 FPGA 主要市場(chǎng)，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約 100 億人民幣，未來(lái)隨著中國(guó) 5G 部署及 AI 技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)FPGA 規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

審核編輯 黃宇