10分钟了解FPGA市场现状和未来趋势

可编程的“万能芯片” FPGA——现场可编程门阵列，是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。

一、FPGA简介

FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx创始人之一Ross Freeman发明，虽然有其他公司宣称自己最先发明可编程逻辑器件PLD，但是真正意义上的第一颗FPGA芯片XC2064为xilinx所发明，这个时间差不多比摩尔老先生提出著名的摩尔定律晚20年左右，但是FPGA一经发明，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象，近些年的FPGA，始终引领先进的工艺。



FPGA—“万能芯片”

可编程的“万能芯片” FPGA——现场可编程门阵列，是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。

FPGA可以实现怎样的能力，主要取决于它所提供的门电路的规模。如果门电路的规模足够大，FPGA通过编程可以实现任意芯片的逻辑功能，例如ASIC、DSP甚至PC处理器等。这就是FPGA为什么被称之为“万能芯片”的原因。



FPGA 内部结构

FPGA可随意定制内部逻辑的阵列，并且可以在用户现场进行即时编程，以修改内部的硬件逻辑，从而实现任意逻辑功能。这一点是ASIC和和DSP都无法做到的。形象点来说，传统的ASIC和DSP等于一张出厂时就写有数据且不可擦除的CD，用户只需要放到CD播放器就可以看到起数据或听到音乐；而FPGA是一张出厂时的空白的CD，需要用户自己使用刻录机烧写数据内容到盘里，并且还可以擦除上面的数据，反复刻录。

可编程灵活性高、开发周期短、并行计算效率高

FPGA的核心优点：可编程灵活性高、开发周期短、并行计算可编程灵活性高。

与ASIC的全定制电路不同，FPGA属于半定制电路。理论上，如果FPGA提供的门电路规模足够大，通过编程可以实现任意ASIC和DSP的逻辑功能。另外，编程可以反复，不像ASIC设计后固化不能修改。所以，FPGA的灵活性也较高。实际应用中，FPGA的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片，而不是替换和设计芯片（设计和）时间成本巨大），甚至FPGA可通过因特网进行远程升级。

开发周期短。ASIC制造流程包括逻辑实现、布线处理和流片等多个步骤，而FPGA无需布线、掩模和定制流片等，芯片开发流程简化。传统的ASIC和SoC设计周期平均是14个月到24个月，用FPGA进行开发时间可以平均降低55%。全球FPGA第一大厂商Xilinx认为，更快比更便宜重要，产品晚上市六个月5年内将少33%的利润，每晚四周等于损失14%的市场份额。



FPGA比ASIC的设计流程大幅减小

并行计算效率高。FPGA属于并行计算，一次可执行多个指令的算法，而传统的ASIC、DSP甚至CPU都是串行计算，一次只能处理一个指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加频率，所以ASIC、CPU的主频一般较高。FPGA虽然普遍主频较低，但对部分特殊的任务，大量相对低速并行的单元比起少量高效单元而言效率更高。另外，从某种角度上说，FPGA内部其实并没有所谓的“计算”，最终结果几乎是类似于ASIC“电路直给”，因此执行效率就大幅提高。

FPGA限制因素：成本、功耗和编程设计

未来，如果FPGA价格到低一定程度，将替代大多数的ASIC芯片。但是，目前制约FPGA发展的三大因素主要有：成本、功耗和编程设计。



ASIC 与 FPGA 对比

成本。如果ASIC流片量大，实现同样逻辑的FPGA成本将是ASIC的10倍以上。按照上面的初步测算，以5万片流片为零界点，低于5万片的小批量多批次的专用控制设别（如雷达、航天飞机、汽车电子、路由器，这些高价值、批量相对较小、多通道计算的专用设备）采用FPGA更加经济划算。



FPGA和ASIC的成本粗算

功耗。FPGA中的芯片的面积比ASIC更大，这是因为FPGA厂商并不知道下游的具体需求应用，故在芯片中装入规模巨大的门电路（其实很多没有使用到），行业深度报告:FPGA—大数据和物联网时代大有可为国防、汽车等，这些领域对低功耗要求不高。

编程设计。FPGA的发展中，软件将占据60%的重要程度。例如Xilinx公司60%~70%的研发人员从事软件工作。除了考虑芯片架构，编程设计时还要考虑应用场景多样性、复杂性和效率。FPGA编程需要采用的专用工具进行HDL编译，再烧录至FPGA中，其技术门槛非常高。

二、国内外FPGA游戏厂商收录

FPGA市场前景诱人，但是门槛之高在芯片行业里无出其右。全球有60多家公司先后斥资数十亿美元，前赴后继地尝试登顶FPGA高地，其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄，但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司：Xilinx（赛灵思）、Altera（阿尔特拉）、Lattice（莱迪思）、Microsemi(美高森美)，其中，Xilinx与Altera这两家公司共占有近90%的市场份额，专利达到6000余项之多，如此之多的技术专利构成的技术壁垒当然高不可攀。而Xilinx始终保持着全球FPGA的霸主地位。

FPGA是一个技术密集型的行业，没有坚实的技术功底，很难形成有竞争力的产品。这也是FPGA市场多年来被四大巨头Xilinx（赛灵思）、Altera（阿尔特拉）、Lattice（莱迪思）、Microsemi(美高森美)基本垄断的原因。

国外FPGA厂商：



公司名称：Xilinx

总部：美国加利福尼亚圣何塞市

官网：http://www.xilinx.com/

1984年Xilinx共同创始人Ross Freeman, Bernie Vonderschmitt和 Jim Barnett 为自己定下了一个目标， 那就是“针对特定应用市场， 把Xilinx打造成为一个设计，制造，营销，及用户可配置逻辑阵列全面领先的企业。”从一个专利起步， Xilinx的创始人点燃了一种创新的精神。这种精神，不仅成就了一个前所未有的行业，而且也让Xilinx成为半导体行业当之无愧的领导企业。



Xilinx大事记

Xilinx发明的FPGA颠覆了半导体世界，创立了Fabless（无晶圆厂）的半导体模式。Xilinx的产品组合融合了 FPGA、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件，以及全可编程的开发模型，包括软件定义的开发环境等。产品支持 5G 无线、嵌入式视觉、工业物联网和云计算所驱动的各种智能、互连和差异化应用。



Xilinx在5G 无线、嵌入式视觉、工业物联网和云计算等都有所涉及

客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程，从而完成特定的逻辑操作。目前Xilinx满足了全世界对 FPGA产品一半以上的需求。

Xilinx产品线还包括复杂可编程逻辑器件（CPLD）。在某些控制应用方面CPLD通常比FPGA速度快，但其提供的逻辑资源较少。与采用传统方法如固定逻辑门阵列相比，利用Xilinx可编程器件，客户可以更快地设计和验证他们的电路。而且，由于Xilinx器件是只需要进行编程的标准部件，客户不需要象采用固定逻辑芯片时那样等待样品或者付出巨额成本。

Xilinx产品已经被广泛应用于从无线电话基站到DVD播放机的数字电子应用技术中。传统的半导体公司只有几百个客户，而Xilinx在全世界有7，500多家客户及50，000多个设计开端。其客户包括Alcatel，Cisco Systems，EMC，Ericsson，Fujitsu，Hewlett-Packard，IBM，Lucent Technologies，Motorola，NEC，Nokia，Nortel，Samsung，Siemens，Sony，Oracle以及Toshiba。

Xilinx可编程芯片为行业领导厂商提供了可选的创新平台，使得他们可以设计和生产出数以万计改善我们日常生活质量的先进产品。



公司名称：Altera

总部：美国加利福尼亚圣何塞市

官网：https://www.altera.com.cn/

是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权(IP)和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。新产品系列将可编程逻辑的内在优势——灵活性、产品及时面市——和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。全面的产品组合不但有器件，而且还包括全集成软件开发工具、通用嵌入式处理器、经过优化的知识产权(IP)内核、参考设计实例和各种开发套件等。

2015年，英特尔宣布以167亿美元收购FPGA厂商Altera。这是英特尔公司历史上规模最大的一笔收购。随着收购完成，Altera将成为英特尔旗下可编程解决方案事业部（Programmable Solutions Group），丹·麦克纳马拉（Dan McNamara）将担任这一部门的负责人。新成立的可编程解决方案事业部将携手英特尔现有数据中心事业部与物联网事业部，一起开发“高度定制化和高度集成化的产品。”新的一体化芯片最初将带来30%至50%的性能提升，而最终的性能提升将达到2到3倍。这样的计算性能对于人脸识别等计算任务很重要。



Altera公司产品



公司名称：Lattice

总部：美国俄勒冈州

官网：http://www.latticesemi.com/zh-CN

莱迪思提供业界领先的SERDES产品。 FPGA和PLD是广泛使用的半导体元件，最终用户可以将其配置成特定的逻辑电路，从而缩短设计周期，降低开发成本。莱迪思的最终用户主要是通讯、计算机、工业、汽车、医药、军事及消费品市场的原始设备生产商。

莱迪思为当今系统设计提供全面的解决方案，包括能提供瞬时上电操作、安全性和节省空间的单芯片解决方案的一系列无可匹敌的非易失可编程器件。

2015年Lattice以6亿美元收购了Silicon Image；2016年4月紫光宣布在公开市场收购Lattice 6.07%股权，致使Lattice的股票股价大涨18%；2016年11月3日， Lattice被Canyon Bridge 以13亿美元收购，致使Lattice股价暴涨近20%，但此次收购最终被特朗普叫停，目前还在持续关注最新进展。Canyon Bridge Capital Partners创始人周斌(Benjamin Chow)正面临起诉。

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