FPGA，老兵不死！

幾十年來，摩爾定律爲CPU性能的持續提升提供了可靠的路线圖。然而，隨着行業達到傳統半導體尺寸的極限，行業對芯片性能和提高效率的需求卻沒有停止，“加速，加速，加速”是當今時代的主旋律。因此，我們看到了現在各種GPU、ASIC、FPGA等加速器的出現。

在這其中，有一名老兵，它就是誕生於1980年的FPGA(可編程邏輯門陣列)，一直在被ASIC替代，卻一直堅挺地存在。初期的消費電子，如手機裏面都有可能會用到FPGA芯片作爲橋接或特定用途的功能，但是經過幾年演變之後這樣的FPGA芯片功能幾乎又會被ASIC替換。後來隨着消費電子設備中很多新技術的引入，ASIC的推出速度無法趕上設計需求，不少應用場景還是回歸到使用FPGA，這就是FPGA的魅力所在。

現在，在數據中心、人工智能以及邊緣計算領域等新的應用領域中，FPGA又开始展現出卓越的實力。與此同時，芯片巨頭圍繞FPGA的競賽再次开啓。值得一提的是，國內FPGA廠商正在國產替代的沃土上茁壯成長。

爭奪“全球最大的FPGA”稱號

2015年，Intel以167億美元的價格收購了Altera，而AMD則在2020年宣布以近500億美元收購賽靈思。隨着FPGA行業老大和老二被相繼收購之後，FPGA更多的從台前“埋沒”於芯片巨頭的幕後。

不過，兩家高性能FPGA公司被收購，凸顯了FPGA的價值，FPGA也爲兩家貢獻了很大的營收。近一年來，英特爾和AMD均憑借FPGA的需求創下不少個季度銷售額新高。2023年第二季度英特爾財報顯示，其可編程解決方案事業部（PSG）的收入同比增長35%，連續三個季度創下歷史新高。

那么，如今AMD和英特爾用FPGA在做什么？在“爭奪全球最大的FPGA稱號”。

從2006年到2023年，用於ASIC和SoC仿真和原型設計的FPGA容量增長了56倍，使得基於這些設備的系統容量在同一時期增長了1萬倍以上。FPGA變得越來越大。

圖片來源：AMD

在近日的hotchips 2023上，AMD發布了最大的FPGA——Versal VP1902 Premium。AMD是小芯片的愛好者，在這款FPGA產品上也是小芯片的集結者，AMD圍繞四個超級邏輯區域 (SLR) 小芯片構建，通過硅中介層以2×2布局連接（如下圖所示），這使其可以變得足夠大。VP1902可支持多達1850萬個邏輯單元和600億個邏輯門。AMD VP1902 SoC 的組裝和封裝技術源於2011年10月推出的Xilinx Virtex-7 2000T FPGA，當時它只有19.5456萬個邏輯單元。

AMD的Versal VP1902 Premium（圖源：AMD）

該芯片的一大目標應用是爲更復雜的SoC芯片進行仿真驗證。爲了設計CPU，必須要FPGA的參與。如今的芯片設計動輒成百上千億的晶體管，驗證越來越難，也越來越貴。雖然像Cadence這樣的EDA公司也提供仿真驗證，但他們所提供的是軟件仿真，軟件仿真速度往往受到底層硬件和軟件的限制。AMD提供的這種FPGA仿真是硬件仿真，相比軟件，硬件仿真則可以更快地評估芯片設計。這也是爲何FPGA會越來越大的緣故。軟硬仿真的結合，對於當今復雜芯片的設計將越來越重要。除了基於FPGA的仿真和企業原型設計之外，VP1902 Premium還瞄准桌面原型設計以及測試和測量 (T&M) 設備等的應用。

據eejournal的報道，上一個“最大的FPGA”還是英特爾在2019年12月發布的Stratix 10 GX，它具有1020萬個邏輯元件，該FPGA也是小芯片結構一種，英特爾採用EMIB（嵌入式多芯片互連橋）技術將兩個大型FPGA芯片組合在一個封裝中，由433億顆晶體管組成。也就是說，英特爾憑借Stratix 10 GX 保持了“全球最大FPGA”桂冠約3.5年。

英特爾Stratix 10 GX

而更早之前的最大FPGA是賽靈思（當時還沒被AMD收購）在2019年8月發布的 Xilinx Virtex UltraScale+ VU19P，這是一款16納米的FPGA，採用台積電CoWos封裝技術，擁有350億個晶體管，在一個中介層上放置了四個芯片組成，擁有900萬個邏輯單元。

其實，早在Altera和賽靈思還沒有被收購時，圍繞FPGA容量變大的角逐賽就已經展开。現在，比賽的接力棒交給了英特爾和AMD。英特爾近年來在FPGA上的動作也頗多，其一直在快速擴展最新的Agilex FPGA產品线。據最新消息，英特爾計劃在2023年發布15款FPGA，而截止目前，英特爾才共有11款FPGA。如果按照過往這樣的規律，估計用不了多久，可能會聽到英特爾大FPGA的消息。

FPGA變大已經離不开小芯片封裝技術了。但是，基於小芯片封裝設計的FPGA，一大缺點是小芯片間的互聯。它不僅互聯成本高，也比片上的互聯速度慢，AMD已表示正在增強其Vivado ML工具套件的布局布线和分區功能，以適應VP1902 SoC等多層器件。

Forbes的一篇報道中，英特爾可編程解決方案事業部（PSG）副總裁兼總經理 Deepali Trehan表示：“UCIe對於我們的下一代FPGA非常重要。”UCIe是英特爾推動建立的小芯片互聯的標准。

在今年參加2023上海國際嵌入式展時，在與FPGA廠商Lattice的交流溝通中，Lattice亞太區現場技術支持總監蒲小雙曾告訴筆者：“FPGA要永遠走在市場前面，客戶才需要你”。觀察近年來FPGA技術的發展，其不斷的創新確實體現了這一理念。盡管小芯片技術近年在CPU和GPU領域逐漸成熟，但我們不能忽視它在FPGA上的成功的實踐經驗，這爲小芯片在其他領域的成功打下了堅實基礎。

從英特爾和AMD等芯片巨頭的動作上來看，FPGA芯片活力無限，而且正在換發新的生機。

FPGA：芯片領域的“萬能芯片”

“FPGA芯片具有設計靈活、兼容性強、適用性強與並行運算等優勢，能夠以較低成本實現算法的迭代，較好地實現新場景的運算、控制和升級功能，在芯片領域內素有“萬能芯片”之稱。”安路科技總經理陳利光告訴筆者。

值得一提的是，FPGA的並行處理能力，使它更加適合如今的高性能計算（HPC）應用。其他類型的IC，如MCU、MPU、專用集成電路 (ASIC) 等在部署時具有固定功能並按順序運行，缺乏可編程性可能會縮短系統部署後的使用壽命。

而且，FPGA可以無縫集成到現有的HPC基礎設施中，補充傳統的基於CPU和GPU的系統。通過將特定任務卸載到FPGA，HPC系統可以實現更高的性能、更低的功耗並提高效率。現在大火的DPU前身就是FPGA當道，英特爾推出的IPU也是基於FPGA。

因此，FPGA在衆多新興市場中找到了新的發展前景，據京微齊力的介紹，在汽車領域，汽車電子後視鏡、激光雷達、分布式域控制甚至是ADAS等諸多汽車場景中，都會有FPGA的身影。在邊緣計算場景中，隨着人工智能和深度學習的興起，FPGA的靈活性將在加速機器學習和神經網絡推理方面發揮重要作用。還有一些數據密集型的應用，像科學計算、醫療等領域，都是FPGA的新機會。

但是要充分利用FPGA的潛力，爲了支持這些機器學習、圖像處理和高性能計算等復雜的應用，不僅需要EDA軟件的支持，還要不斷地更新和優化。如同安路科技總經理陳利光所說：“FPGA芯片比較特殊，生產出來的時候是空白，在使用過程中需要專用EDA軟件配合編程才能實現用戶應用。其現場可編程的特性也決定了其研發過程和方法不同於一般集成電路芯片，FPGA廠商一般都需要提供自主設計EDA工具來實現應用开發。高效能的EDA工具是FPGA產品的核心競爭力之一，這也是FPGA行業高壁壘的原因。”

總之，FPGA正在多個新興市場中綻放出新生活力，FPGA市場規模持續提高。根據marketsandmarkets的分析，2023年FPGA市場價值爲97億美元，預計到2028年將達到191億美元，2023~2028年的年復合增長率爲14.6%。預計亞太地區FPGA的市場將出現顯著增長，主要得益於電信、工業、汽車、消費電子和計算領域。而從節點尺寸上來看，2023-2028年內20-90nm節點尺寸將佔據FPGA市場的最高市場份額。這些FPGA已在市場上銷售相當長的時間，並且在高帶寬和降低總系統成本方面具有很大的優勢，這使得它們適合通用和便攜式應用。

看看現在仍然獨立的、出貨量最大的FPGA廠商Lattice，在過去五年間，股價已經飆升了1285%，從2018年7美元漲到2023年的97美元，足見FPGA在產業鏈上的重要價值。

國產替代助力，中國FPGA企業風頭正勁

近年來，乘着國產替代的東風，疊加網絡強國、制造強國和“雙碳”战略實施，國內FPGA芯片市場需求旺盛，國內一衆FPGA企業如安路科技、京微齊力、紫光同創、復旦微電子、高雲半導體等發展勢頭強勁。據了解，安路的FPGA芯片截至目前，已經累計出貨量超過一億顆，支持客戶超過2000家。

從產品的角度來看，據京微齊力的分析指出：“雖然目前國產FPGA廠商的出貨量還是以中小容量爲主，但經過近幾年的技術積累，國內FPGA初創企業在此領域的產品已經可以達到國際競品的水准，在軟硬件的協同發展上小有所成。”

此外，部分財力雄厚的企業，如安路科技、紫光同創等，已經着手研發高性能大容量的FPGA芯片。安路表示，在高端產品供應方面，國內水平仍與國際龍頭存在較大差距，需要在性能指標和量產能力上取得進一步的突破。受設計經驗，先進制造能力、封測工藝、IP資源等因素影響，中國FPGA芯片企業技術創新能力亟待提升。

在市場拓展的角度，在消費電子領域，沒有所謂的國產替代，還是要各憑本事。像京微齊力這樣的FPGA廠商從消費電子市場开始切入，逐漸找尋到了一些ASIC不容易替代的場景。值得關注的是，國內的小容量FPGA產品還有一些自己對行業的理解，做了一些技術創新和國產思考進去，摸准了一些客戶的需求，幫助用戶提升了價值。所以，國產廠商在消費類場景中也开始越來越多的選用本土FPGA產品，逐漸形成了一定的產值。

2023年下遊整體市場需求疲軟，國內FPGA廠商或多或少有所感受。對於下行周期的策略，安路科技總經理陳利光表示，整體策略來講，我們採取的是夯實底座基礎，持續精進，秉持“堅持技術創新，服務更多客戶”的核心理念。首先，繼續加大先進產品研發投入和技術創新，根據市場需求進一步豐富FPGA/FPSoC芯片產品規格型號，推出優勢產品，完善產品线布局，協同產業鏈創新增效，促進優質可靠的產品落地，來滿足客戶多樣化的需求。其次，加大新產品推廣和產品導入力度，通過創新IP和解決方案抓住更多新產品設計機會，協助客戶做產品升級迭代。此外，深耕存量市場，鞏固現有競爭優勢，同時不斷探索新興市場，布局新賽道，希望通過積極的內外兼修，穿越周期，爭取在市場回暖之時，能更好地把握潛在機會，提高市場競爭力。

京微齊力表示，國內的FPGA公司想要真正在市場上站穩腳跟，必須要在新技術持續發展的市場領域中扎根做實，例如通信、電力、工業伺服、工業相機、安防視頻等行業。因此，隨着22nm新產品的推出，京微齊力正在向工業、安防、視頻等領域奮進。

如同其他類型的芯片賽道，FPGA的內卷和同質化競爭的現象也是存在的，爲了避免同質化競爭嚴重，國內的FPGA廠商也有意在差異化上投入更多心力。

異構路线已成爲部分廠商的主要战略方向之一。如京微齊力所言，現代的FPGA不僅僅一味的關注容量和工藝的變化，而是更加強調不同計算單元的融合，如FPGA與CPU、MCU、Memory、ASIC和AI等的結合，形成系統級的產品，確保高性能、高帶寬、高可靠性、低功耗和低時延。京微齊力指出，這也是賽靈思大廠一般會在FinFET先進工藝節點上的做法，只不過，像京微齊力這樣的廠商目前是在合適的工藝節點如22納米的維度上集成異構的元素進行創新。這會比早期賽靈思28nm的產品多一些功能差異化的地方。

但是這種異構的產品在推廣上不是易事，首先，客戶的接受度是一個核心問題。有些客戶可能並不需要如此復雜的芯片結構，他們只期望替代或優化FPGA的部分即可。這種情況要求FPGA廠商努力开闢新市場或推動客戶接納這種創新的使用模型。其次，伴隨這種新型的設計，還會帶來巨大的軟件开發工作量。應用層的代碼需要大量調整和優化，再加上後續的軟件調試，從而導致design-in的周期變得更長。面對這些挑战，需要FPGA廠商與客戶緊密合作，共同成長和探索，以確保異構產品能夠成功創新並真正落地。

國內FPGA企業之所以能快速發展，除了技術創新外，其接近市場、直接了解並滿足本土客戶需求也是一大優勢。以京微齊力爲例，其近期研發的小容量FPGA+CPU+AI智能加速芯片就是與工程師和客戶共同探討而來。這顆“聊出來”的產品不僅僅滿足了客戶的算力需求，還整合了FPGA的特性，進一步展現了國產FPGA的價值和生存空間。這也從側面反映出，國產FPGA芯片企業的發展，需要優質合作夥伴的一起合作、推廣。

投資人眼中的FPGA 賽道

近年來，FPGA創業的熱潮似乎有所退卻，相關企業的融資事件也並不是很多，投資金額也參差不齊。例如，FPGA芯片公司芯璐科技2023年6月份完成3000多萬的種子輪融資；中科億海微2023年1月獲B+輪融資，用於支持14nm工藝億門級新型異構芯片設計；2022年8月，異格技術完成2.86億元融資，聚焦國產高端FPGA芯片的研發與設計；京微齊力2022年6月完成1個多億元的融資；菲數科技於2020年7月獲合肥創投2000萬元新一輪融資。

那么投資者是如何看待FPGA賽道的？

據雲岫資本趙佔祥告訴筆者，FPGA其實是介於大芯片和模擬芯片的一個產業，屬於先進制程。但有所區別的是，FPGA的市場大部分是工業級和企業級的市場，消費類的應用不多。而且FPGA市場得特點是非常分散，它不像CPU、GPU這類芯片一樣會有非常大的單一市場。這樣的好處是它的營收相對較穩定，不易受到某些特定行業的衝擊。

不利的一面是，對於初創公司而言，起步較難，需要有很多的產品线布局，包括覆蓋大、中、小不同容量來滿足不同領域的需求，還要有IP積累和EDA軟件的支持，前期積累較難。而且工業和企業級的客戶對於產品要求不僅要性能好，可靠性的要求也非常高。

在談到“國內還能跑出幾家FPGA上市企業？哪些類型的公司會比較有機會？”時，趙佔祥表示，對於國內FPGA廠商而言，市場發展空間很大，因爲整個FPGA市場90%以上還是國外企業佔據主導地位。我們比較看好已經在國內有着5年以上積累的初創公司，他們不僅有着市場積累，也有穩定的營收，乘着國產替代的機會，這些FPGA企業正處於發展的快車道中。時間給到了，上市的機會很大。