“万能芯片”之战

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大家好，我是张巧龙，本次带来一篇好文，作者是我的老熟人，斌哥。

在接下来的文章中，你将了解到：

FPGA的功用和市场概况，FPGA相较于CPU/GPU/ASIC芯片的优势，国内外FPGA的格局和现状。

付斌 | 作者

李拓 | 编辑

果壳硬科技 | 策划

01 

从配角到主角的逆袭

FPGA，属于数字集成电路中一种逻辑芯片，同类芯片包括广为人知的CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）以及ASIC（专用集成电路）。

FPGA是基于通用逻辑电路阵列的集成电路芯片，主要由逻辑阵列块（LAB）、输入输出单元（I/O）和内部连接线（Interconnect）三部分构成。

FPGA属于数字集成电路中逻辑芯片，图源丨尚普咨询

数据计算包括两种方式：

一种是利用CPU或GPU基于指令的架构编写计算所需的软件，另一种则是针对特定计算需求设计、制造出一套专用的电路，即ASIC。

FPGA是ASIC领域的一类半定制电路芯片，是在PAL、GAL等可编程器件基础上进一步发展的产物，它解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

上世纪80年代，Ross Freeman和同事从Zilog 买下FPGA技术，并共同创立赛灵思，推出第一颗真正意义上的FPGA芯片XC2064。

该芯片采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。因为发明FPGA，Ross Freeman于2009年被列入了美国发明家名人堂。

与现在动辄千万逻辑单元的产品相比，XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”[2]，但它开启了可编程逻辑芯片的历史。

最初，FPGA只是充当连接各个专用芯片的胶合逻辑（Glue Logic）的角色。直到SoC-FPGA（可编程片上系统芯片）发布，单个FPGA芯片中实现一个完整电子系统成为现实的方案，FPGA才算真正走到舞台中央[3]。

此后，便是FPGA从配角逐渐逆袭成主角的故事。

FPGA的主要应用领域，制表丨果壳硬科技

03 

FPGA vs. CPU/GPU/ASIC

有市场的地方，就会有竞争。各大厂商经常在发布会上拿FPGA与同属逻辑芯片的CPU/GPU/ASIC对比算力。

在数十年的大战中，还诞生了eFPGA和eASIC这种新生代芯片。

不过，在制程节点越来越逼近1nm极限以及摩尔定律逐步放缓的情况下，异构计算（多种不同计算芯片的组合，如“CPU+GPU”“CPU+FPGA”）成为不同逻辑芯片协同协作的契机。

FPGA方案与ASIC方案的对比，图源丨头豹研究院

3.3 FPGA衍生出的eFPGA和eASIC

eFPGA是指将一个或多个FPGA以IP的形式嵌入ASIC、ASSP（专用标准产品）或SoC（系统级芯片）等芯片中的发展模式，拥有极强的易用性，能够降低客户集成FPGA加速器的门槛。

目前eFPGA已有大量应用，但一直没有成为市场主流，接受度有望在云计算和人工智能发展下进一步提升[9]。

eASIC与ASIC类似，都是定制类型的芯片，是将FPGA可重复编程的功能去掉，获得更小的晶片尺寸，来实现低功耗和更低的成本。

eASIC比FPGA的单位成本和功耗更低，比标准单元ASIC的上市速度更快、一次性工程 (NRE) 费用更低。

eASIC源于名字同为eASIC的公司，目前已被英特尔收购，英特尔将eASIC定位为从FPGA向ASIC过渡的中间选择，并将FPGA、eASIC、ASIC的连续生命周期的产品组合命名为“定制逻辑连续体”：FPGA拥有最快的上市速度和最高的灵活性；eASIC拥有出色的性价比，优化上市时间；ASIC拥有最高的性能和最低的功耗和成本。

FPGA设计发展阶段，图源丨尚普咨询

资料来源丨电子工业出版社《集成电路产业全书》 2018年9月第1版

04 

四大巨头支配的全球市场

据知名咨询机构Frost&Sullivan预计，全球FPGA市场将从2021年的68.6亿美元增至2025年的125.8亿美元，年均复合增长率约16.4%。

经过几十年的寡头垄断和行业整合，目前全球形成以赛灵思和英特尔占据70%~80%的市场份额，莱迪思（Lattice）、微芯科技（Microchip）瓜分低功耗或细分子市场份额的局面[11]。

反观国产FPGA，目前在中国市场份额仅约4%。

FPGA产品关键技术指标，图源丨安路科技招股书[12]

在硬件性能比拼上，赛灵思和英特尔一直是宿敌。虽然两家交锋的火药味儿十足，但竞争的产物也成为FPGA行业的标杆。

• 先是争夺全球最大FPGA：2019年8月，赛灵思宣布拥有900万个系统逻辑单元和超过2000个用户I/O的Virtex UltraScale+ VU19P FPGA。相隔仅三个月，英特尔就宣布推出拥有1020万个逻辑单元和2304个用户I/O的Stratix 10 GX 10M FPGA。

• 继而竞争最先进FPGA：赛灵思先于2020年3月发布Versal Premium ACAP平台，采用台积电（TSMC）7nm FinFET制程工艺、112 Gbps PAM4收发器，在逻辑密度上相当于22个16nm的FPGA；相隔一年，英特尔就宣布Agilex系列大规模量产出货，采用10nm SuperFin制程工艺，116Gps PAM4收发器（最高可达224Gbps），逻辑结构性能、功耗比相比7nm的FPGA高约2倍。

反观莱迪思和微芯科技则是坐看两巨头龙争虎斗，不与世争，不做最强，但做精巨头“看不起”的28nm制程中低端市场。FPGA专家曾向笔者表示，实际上28nm制程就能满足大部分需求，16/14/10/7nm虽然性能参数强，但成本和功耗并不划算。

• 相比传统bulk CMOS，莱迪思选择采用FD-SOI（耗尽型绝缘层上硅）这种工艺平衡FPGA的性能和功耗。目前莱迪思已基于三星28nm FD-SOI的Lattice Nexus技术平台，推出Certus-NX、CrossLink-NX等产品。

• 微芯科技主要聚焦在低功耗、低成本的28nm FPGA，并提供非易失闪存和SRAM（静态随机存取存储器）两种选择。

国外厂商软件部分内容对比，制表丨果壳硬科技

信息来源丨各公司官网、公司新闻

05 

国产企业的追赶之路

据创道咨询统计，目前国内与FPGA相关研发企业数量在27家以上，其中已在A股上市的企业包括复旦微电子、安路科技、航锦科技，成都华微电子拟在科创板上市[13]。2021年，至少有3家企业成为FPGA市场新玩家。

国内外代表厂商部分FPGA产品对比，制表丨果壳硬科技

信息来源丨各公司官网、公司新闻、招股书

芯片自主研发之路上难啃的“硬骨头”很多，特别是FPGA这种高端复杂芯片，而国内企业也正在追赶巨头。

“氪金”才能变强

研发设计FPGA有许多难点：

第一，内核架构设计、逻辑单元设计、异构单元设计、互连结构设计的难点；

第二，异构单元的芯片结构定义与设计问题；

第三，综合映射、布局布线等软件的设计难点；第四，在面积、速度、功耗上实现最优的难点[14]。

这么难怎么办钱，砸钱，砸钱。

纵观安路科技、紫光同创、复旦微的关键业务数据，由于研发费用占比一度超100%，导致它们有一段时期净利为负。

事实上，国外企业长期占据大部分市场份额，通过规模效应分摊研发成本。国内企业的相关抗风险就会较为薄弱。不过，得益于政策倾斜和科研项目经费补贴，这种窘境一定程度上得以缓解。

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来源：张巧龙