从FPGA透视中美芯片的差距

　　FPGA的内部组成结构

　　FPGA由6部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。

　　每个单元简介如下：

　　1.可编程输入/输出单元（I/O单元）

　　目前大多数FPGA的I/O单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置，可适应不同的电器标准与I/O物理特性;可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻;可以调整输出驱动电流的大小等。

　　2.基本可编程逻辑单元

　　FPGA的基本可编程逻辑单元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）组成的，查找表完成纯组合逻辑功能。FPGA内部寄存器可配置为带同步/异步复位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。FPGA一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。

　　学习底层配置单元的LUT和Register比率的一个重要意义在于器件选型和规模估算。由于FPGA内部除了基本可编程逻辑单元外，还有嵌入式的RAM、PLL或者是DLL，专用的Hard IP Core等，这些模块也能等效出一定规模的系统门，所以简单科学的方法是用器件的Register或LUT的数量衡量。

　　3.嵌入式块RAM

　　目前大多数FPGA都有内嵌的块RAM。嵌入式块RAM可以配置为单端口RAM、双端口RAM、伪双端口RAM、CAM、FIFO等存储结构。

　　CAM，即为内容地址存储器。写入CAM的数据会和其内部存储的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有内部数据的地址。简单的说，RAM是一种写地址，读数据的存储单元;CAM与RAM恰恰相反。

　　除了块RAM，Xilinx和Lattice的FPGA还可以灵活地将LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存储结构。

　　4.丰富的布线资源

　　布线资源连通FPGA内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。布线资源的划分：

　　1）全局性的专用布线资源：以完成器件内部的全局时钟和全局复位/置位的布线;

　　2）长线资源：用以完成器件Bank间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线（这里不懂什么是“第二全局时钟信号”）;

　　3）短线资源：用来完成基本逻辑单元间的逻辑互连与布线;

　　4）其他：在逻辑单元内部还有着各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。

　　由于在设计过程中，往往由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，所以常常忽略布线资源。其实布线资源的优化与使用和实现结果有直接关系。

　　5.底层嵌入功能单元（书上举了很多例子，不过这些东东要看具体哪个厂商的哪种型号的芯片上嵌有什么资源决定）

　　6.内嵌专用硬核

　　与“底层嵌入单元”是有区别的，这里指的硬核主要是那些通用性相对较弱，不是所有FPGA器件都包含硬核。

　　FPGA在各行业的应用分析

　　在芯片应用行业，计算机和通讯是最大的两个领域，而对于FPGA来说，应用的第一大领域是通讯而不是计算机。PC机虽然数量及其巨大，但PC机里面没有FPGA芯片，原因是PC机是一个高度标准化的产品，因此PC机里面所有芯片用ASIC实现不仅可行，而且是经济的。而服务器、大型机里面开始逐步在使用FPGA，主要用于大数据的协处理，目前量还不大，远远无法和通信产品使用的FPGA相比，但未来潜力很大，后面会做进一步介绍。

　　通信产品可以从云、管、端层面来划分，端不大适合使用FPGA，如前所述，因为FPGA功耗相对ASIC偏大，至于前段时间吵得沸沸扬扬的lattice FPGA芯片用于三星和苹果7的手机案例，实属特例，千万不要认为未来FPGA能大规模进军消费电子，从而使得FPGA市场规模将成倍甚至数十倍的增加，至少短期内可能性不大。

　　通信行业讲的云主要包括核心网及各种服务器中心，在大数据和云计算没有规模应用之前，核心网设备里面基本没有FPGA，因为核心网所处理的协议其实非常标准化，变化不是太大，我们常见的2G-3G-4G以及即将到来的5G，其标准的核心部分实际上主要体现在物理层和逻辑层，而这些功能主要在管道（基站、基站控制、承载、传输等产品）中实现，这些标准变化快，各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点，甚至在标准还未冻结之前就推出原型样机甚至小批量，而这只有FPGA能做到。一般来讲越往终端侧靠近，设备的数量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心网侧用的FPGA数量越少，但FPGA芯片的型号越高端，单片更贵。考虑量、价因素，最终还是基站侧用的FPGA总价高。

　　为什么是基站（也可以说是管道）最适合用FPGA，而且总价最高。首先因为基站的量非常大，基站虽然和手机的量没法比，但远多于核心网数量，据不完全统计，全球存量基站有数千万（5G部署后，可能会轻松破亿），每个基站里面有数块到10数块板子（根据配置不同而不同），除了电源和风扇板子没有FPGA芯片外，几乎每块板子都有FPGA芯片，有的还不止一颗。其次，基站里面用的FPGA型号也不会太低端，因为要处理复杂的物理协议、部分算法和逻辑控制，接口速率更是一个重要的考虑。一般来讲，基站中的芯片价格在一百到数千元人民币不等。价格过高比如几千甚至上万人民币的芯片，最多在初期原型验证用，不会大规模发货。最后，基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分，这部分内容每年都在升级，而且也比较适合FPGA来实现，尤其是协议未完全冻结时，最适合FPGA来处理，因为可以通过升级FPGA版本来应对协议变动，待协议完全冻结后，各设备厂家会逐步以ASIC来替代之前的FPGA，因为量达到一定程度后，ASIC的成本和功耗优势就体现出来了，而且大型设备商的ASIC化能力又非常强，因此FPGA在通信领域主要在初、中期应用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口类的FPGA，这也是FPGA厂商必须要面对的一个现实。

　　除了通信领域，FPGA在安防和工业领域也存在大量应用。在安防领域，视频的编解码比如MPEG和H.26x等协议基本由专用ASIC实现，但是前端的数据采集处理及部分控制逻辑可以由FPGA来处理，因为安防也是一个巨大的产业，因此，FPGA的用量也是非常可观的。工业领域主要用FPGA的灵活性来做控制，而且主要是规模比较小的FPGA。此外，军工和航天也是FPGA应用的一个重要领域，军工和航天对FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有军工产品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工艺（一次编程，可以更好的抗干扰和抗辐射等）FPGA因其高可靠性，主要用于军工航天产品。

　　FPGA未来几年的发展趋势

　　（1）技术层面

　　首先从技术上来看FPGA未来的发展，至少在几年内还是遵循摩尔定律的规则，工艺不断升级，目前xilinx 16nm工艺的FPGA已经成熟商用，altera被Intel收购后逐步会切到Intel的工艺上面来，现在也推出基于Intel 14nm工艺的Stratix 10等高端芯片。xilinx下一代产品会升级到7nm，重点应该还是瞄准通信和可能出现的新兴行业如大数据处理等。可以预见的是，未来5年内工艺升级仍然是FPGA发展的主要方向。

　　其次，要符合未来行业的应用。FPGA市场定位一定是以下游产业发展趋势为依据的。在过去十几年中，xilinx和altera、lattice等公司最重视华为、中兴、爱立信等公司的需求，因为FPGA在通信行业的市场占据了他们营收的半壁江山，所以这些年FPGA公司的Marketing相对来说是比较好做的。曾经有一次lattice的全球Marketing VP 来我这里进行市场需求搜集，说这场会议是他最重视的，虽有恭维之词，但我们确实给lattice创造了在他们公司单一芯片最大销量的记录。FPGA下一个应用热点，一定还是通信，从4G过度到5G，5G初期的量会很大，中后期逐步被ASIC化。另外可能大数据也会起来，毕竟FPGA协同CPU进行数据处理已经在多家大公司得到了验证，微软bing团队用于搜索引擎处理的著名论文更是让业界认同FPGA在数据处理中的优势，后面是逐步上量的过程。人工智能不会那么快上量，一来AI目前还刚起步，究竟是FPGA、GPU、CPU唱主角还在争论中，ASIC商用更早。二来FPGA在AI领域并没有真正成功的商用案例，从开始商用到最后上规模需要比较长的时间。但是一旦FPGA在AI应用成为共识，其市场潜力极其巨大，也许会使得FPGA市场这个盘子迅速突破徘徊多年的4、50亿美金。因为AI和行业密切相关，这决定了AI行业会有大量的中小公司，不像通讯设备行业这样集中到几个大公司，这些小公司没有使FPGA 成为ASIC的能力，可能自始至终都是用FPGA，即使强大到如BAT，在其利润非常可观的情况下，也未必会很快启动自己的ASIC设计来替代FPGA，因此如果AI行业中会大规模使用FPGA，FPGA行业规模将会得到快速增长。

　　（2）商业层面

　　芯片行业并购是这几年的主旋律，一方面是巨头们在某些细分领域遭遇到中小公司强有力的竞争，使得他们的利润率收到影响，收购可以减少竞争，维持一定的寡头利润。另一方面行业竞争使得巨头们需要抱团取暖，丰富自己的产品线以进军广泛的市场，如avago收购博通成立新的博通。还有的收购是为了增强协同效应，很显然，Intel 花160多亿美金收购altera不是为了获得altera在通信市场的份额，而是和自己的cpu在云计算、大数据处理方面的协同增效，以维持Intel在未来新兴行业的霸主地位。这样一来，xilinx可能会比较被动，虽然在云计算、大数据处理方面xilinx也推出相应的解决方案，而且也有下游巨头落地的案例，但是如果Intel 在市场上占据了主导，它一定会通过各种方式给xilinx设置相应的门槛，比如FPGA和Cpu之间自定义接口，或者牵头制定相关的协议标准等。xilinx未来是否也会走和altera相同的路还不好说，毕竟能买得起xilinx的芯片巨头一只手都能数的过来，而且还要有相关性，这个范围就更小了，让我们拭目以待。

　　国内FPGA与美国FPGA差距

　　FPGA是可编程逻辑器件，可以理解为万能芯片，有人理解为芯片界的橡皮泥，目前这个市场被美国四家公司垄断，一直是我们的短板。

　　2017年，有中国背景的一家私募股权基金，想偷偷去收购美国的莱迪斯，结果被特朗普叫停，看来美帝的警惕心很强啊，捷径还是走不通啊。

　　但是我们有没有FPGA呢？答案是有，而且还有好几家。美国垄断了99%，剩下的全世界瓜分，然后我们在这1%里，要是四舍五入精确到个位，当然是0%。

　　国内的FPGA公司有京微雅格、复旦微电子、高云FPGA、同方国芯、上海安路、西安智多晶微等，但是由于要从美国四大公司牙缝里抢食，能生存下来已经实属不易。

　　从SWOT分析当前国内发展FPGA的前景

　　（1）首先说优势。相比较xilinx和altera，国产FPGA厂商目前基本没有绝对优势，只有比较优势，比如起点高，再也不用从微米级技术开始做起，一开始就从几十纳米进入，工艺差距可以缩小到2-3代的水平。另外，中国是FPGA芯片的应用大国，国产FPGA有本土化的各种优势，比如对中小客户需求的理解等比国外巨头要更接地气等。

　　（2）劣势的话很明显，从专利、技术产品到人才及市场品牌等，国产FPGA厂商都和国外巨头存在很大的差距。

　　（3）再说机会，当前中国厂商面临的机会比较多，因为从国家层面来看已经把FPGA列为国家战略芯片，政府在这个领域的投入可能会逐步增加，虽然政府直接主导这个产业发展未必是好的方式，但是给予民营企业各方面的支持却是非常重要的。另外，随着中国经济的发展，中国的企业能吸引到更多更优秀的国际化人才加入，尤其是一些高端的FPGA领军人才，对一个企业的发展至关重要。最后，随着人工智能和大数据等新兴行业的发展，FPGA市场容量可能会出现大规模的增长。

　　（4）最后说威胁。说道威胁，专利是一个。当中国企业还很弱小，远远对国际巨头构不成竞争的时候，这个风险还不大，如果已经形成竞争关系的时候，可能巨头们就会拿起专利武器来捍卫自己的利益，如同中兴、华为在发展过程中遇到的问题一样，这就要求中国的FPGA厂商要苦练内功，在专利和技术方面踏踏实实做好积累，以应对将来可能出现的专利战以及国际化，否则即使能做出产品，可能也走不远。

　　总体来看，虽然目前中国在FPGA这个领域比国外的主流厂商还存在很大差距，但是考虑到中国经济的发展和综合国力的增强以及政府对芯片产业的高度重视，还有这个市场可能出现的大幅增长，中国的国产FPGA和国外主流厂商的差距会逐步缩小，虽然这个过程会比较长，但趋势是无疑的。

　　近些年中国陆陆续续诞生了一些FPGA厂商，如京微雅阁、安路、同创、高云半导体等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已经在商用，有的在大公司进行样品认定和试验项目，这是一个很好的信号。在今年的“IC-CHINA 2017”大会中，高云发布了3款新品，不仅发布了集成ARM3的SOC FPGA，还有基于55nm SRAM工艺的“晨熙”系列和基于55nm嵌入式Flash+SRAM的“小蜜蜂”4个系列11款产品，基本覆盖了lattice 70%~80%左右的产品，特别是小蜜蜂系列，对应lattice 的XO2/XO3，对其形成强有力的替代竞争优势。另外，高云28nm的产品已经在研发中，预计2019年左右推出。目前高云FPGA芯片累计出货量即将达到200万片，对于一个成立才3年左右的公司，这个发展是相当迅速的，如果芯片的良率在应用中得到逐步提高，芯片可靠性得到了用户的认可，这将会对国外厂商产生很大的冲击。与此同时，安路也发布了它最新55nm的第二代“小精灵”ELF2系列高性能低功耗和内嵌MCU的SOC FPGA，向国外厂家的中低端产品发起了挑战。

　　回头看中国每个发展得不错的行业，基本都遵循一个逻辑，先是从低端开始突破，对国外同类产品进行替代，在行业站稳了脚跟之后，开始持续改进，不断提升自己的技术、产品、服务以及专利积累等，到了一定阶段之后可以在细分领域里面创造一些需求，以不断向高端进军，最终在行业里面的高端占有一席之地。中国通讯制造业、高铁制造等都是遵循这个逻辑发展的。 “低端突破-》持续改进-》创造需求-》高端引领” 是中国各个行业发展的必由之路。对于FPGA行业来说，也完全可以按照这个思路发展。