2020 年 12 月 11 日，提起 5G 大家很容易想到華為，在華為等的 5G 基站中有一類芯片，它的存在感不是很強(qiáng)，但它的作用很大，它就是 FPGA 芯片。
什么是 FPGA 芯片？
如果我們想快速了解一款芯片，最簡(jiǎn)單的方法就是調(diào)查它功能和用途，但這個(gè)方法對(duì)于 FPGA 來(lái)說(shuō)并不適用。
如果你真的去查 FPGA 的應(yīng)用場(chǎng)景，你會(huì)得到一個(gè)很長(zhǎng)的名單，比如：通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、數(shù)據(jù)中心、人工智能、衛(wèi)星導(dǎo)航、醫(yī)療器械、圖像處理、視頻編碼、云計(jì)算、軍工等等。
可能有些人查到一半就開(kāi)始懵了，F(xiàn)PGA 芯片的應(yīng)用范圍跨越了太多行業(yè)。那么 FPGA 芯片到底是什么呢？
答：是白紙。
如果我們把其它各種專用芯片比作不同風(fēng)格的畫作，那么 FPGA 芯片就是白紙。我們可以在白紙上畫出各種不同風(fēng)格的畫作，這就是 FPGA。
假如你是一塊 FPGA 開(kāi)發(fā)板，你在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的一天可能是這樣度過(guò)的：
清晨，一批大二學(xué)生進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室。他們?yōu)榱送瓿勺蛱焱砩衔赐瓿傻捻?xiàng)目，開(kāi)始急匆匆的調(diào)整著相關(guān)的硬件。最終，他們完成了，F(xiàn)PGA 開(kāi)發(fā)板變成了音樂(lè)播放器。
中午，一幫大三學(xué)生趕到了實(shí)驗(yàn)室，他們要參加省里的智能小車比賽。還是這塊 FPGA 開(kāi)發(fā)板，這回被他們借去測(cè)試智能小車的代碼。
下午，一個(gè)大四的學(xué)生來(lái)到了實(shí)驗(yàn)室，還是借這塊 FPGA 開(kāi)發(fā)板。不過(guò)他是用來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的，他要做一個(gè)電梯的控制模塊。
就這樣，一天過(guò)去了。同樣一塊 FPGA 開(kāi)發(fā)板，上午它是音樂(lè)播放器，中午它是智能小車，下午它又是電梯控制模塊。只是因?yàn)槊看嗡⑷氲拇a不同，F(xiàn)PGA 芯片就具備了完全不同的功能，這就是 FPGA 的神奇之處。
FPGA 的特點(diǎn)
首先一大特點(diǎn)就是靈活性，F(xiàn)PGA 就像上文所說(shuō)的 “白紙”一樣，可以通過(guò) “刷代碼”的方式改變用途和功能。
對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，很多機(jī)器是面向不同客戶出租的，因此硬件的用途經(jīng)常會(huì)發(fā)生改變。而這時(shí)如果用 FPGA 作為加速卡就會(huì)非常方便了，設(shè)備用途改變的同時(shí)，F(xiàn)PGA 這邊也同步進(jìn)行改變就可以了。
特別是對(duì)于人工智能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更為明顯，比如現(xiàn)在流行一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)準(zhǔn)過(guò)一段時(shí)間另一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又變得熱門了，而且算法也會(huì)隨之時(shí)間不斷更新。這種情況下可能就需要不斷更換硬件 , 最大限度的去貼合算法需求。而 FPGA 就方便很多了，需要進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候重新刷入就可以了，在節(jié)約時(shí)間的同時(shí)也減少了成本。
FPGA 除了靈活性以外，另外一大特點(diǎn)就是并行了。如何理解并行呢？
比如我們?cè)谥苣┮黾覄?wù)的時(shí)候，用洗衣機(jī)洗衣服 15 分鐘，洗菜 5 分鐘，做飯 20 分鐘。那么一共需要多少時(shí)間呢？如果順序進(jìn)行這些家務(wù)的話，那就需要 40 分鐘。但是我們可以發(fā)現(xiàn)，在洗衣機(jī)洗衣服的時(shí)候我們是可以同時(shí)干其它家務(wù)的，這樣一來(lái)我們只需要 25 分鐘就可以做完這些家務(wù)了。
由此可見(jiàn)，并行可以大大提高效率，也正是因?yàn)檫@樣，F(xiàn)PGA 可以幫助 CPU 加速計(jì)算。
但值得說(shuō)明的是，不是所有任務(wù)都適合并行。比如我們必須在洗完菜之后才能做飯，這兩個(gè)任務(wù)就不能并行完成。因此 FPGA 的加速往往是針對(duì)一種或者一類任務(wù)，并不會(huì)像 CPU 那樣解決所有問(wèn)題。
FPGA 和 ASIC
FPGA 全稱現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，它屬于一種半定制電路。而 ASIC 稱為專用集成電路。
這兩個(gè)其實(shí)都可以算是 “白紙”，只不過(guò)在 FPGA 的 “白紙”上我們畫的是鉛筆畫，而設(shè)計(jì)并制造 ASIC 芯片時(shí)，我們是在 “白紙”上畫水彩畫。
兩者其實(shí)都具有相當(dāng)?shù)撵`活性，只不過(guò)對(duì)于 ASIC 來(lái)說(shuō)，當(dāng)水彩畫完成也就是芯片造出來(lái)的時(shí)候，就已經(jīng)沒(méi)有什么修改的空間了。而 FPGA 的鉛筆畫是可以擦了重新畫的。
另外一方面，如果對(duì)于同樣一個(gè)電路，其它條件也大致等同的情況下，ASIC 的性能是比 FPGA 強(qiáng)的。就像水彩畫比鉛筆畫色彩更鮮艷。因此如果一個(gè)電路在后期不需要更改的情況下，出于性能（功耗、速度、芯片面積）方面的考慮，選 ASIC 更合適。
當(dāng)然以上所說(shuō)的只是性能方面的考量，在實(shí)際選擇中還會(huì)有其它因素的影響，比如成本。
ASIC 的起步成本是十分高昂的，對(duì)于一些先進(jìn)的工藝制程來(lái)說(shuō)，流片一次的成本就可能直接上億。而 FPGA 的起步成本非常低，在淘寶上就能以幾百塊包郵的價(jià)格買到相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板。而且由于 ASIC 制造之后不可更改，所以就有可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理或者相應(yīng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上反饋不好，以至于相關(guān)開(kāi)發(fā)成本打水漂的情況。對(duì)于 FPGA 來(lái)說(shuō)就很少有這方面風(fēng)險(xiǎn)了，如果設(shè)計(jì)有問(wèn)題，后期還可以再次調(diào)整，即使項(xiàng)目規(guī)劃有問(wèn)題，買入的 FPGA 芯片也可再次出售或用在其它項(xiàng)目中。但另一方面，ASIC 規(guī)模化生產(chǎn)后邊際成本非常低，而基于 FPGA 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品則難以通過(guò)大批量生產(chǎn)獲得邊際成本紅利。
舉例來(lái)說(shuō)就是，今天想吃羊肉串，ASIC 就像自助餐，進(jìn)門費(fèi)用很高，但進(jìn)去之后吃三串和吃十串費(fèi)用上的區(qū)別就不大了。而 FPGA 就像一般餐館，基本沒(méi)有最低消費(fèi)，進(jìn)去點(diǎn)多少吃多少。但是很少會(huì)因?yàn)槟泓c(diǎn)的多就給你優(yōu)惠。但芯片總會(huì)要更新的，就想吃羊肉串吃多了會(huì)膩，之后可能就想吃排骨了。但是在這個(gè)自助餐店里沒(méi)有排骨。那怎么辦呢，去另一家有排骨的自助餐餐廳里重新交錢吃，這就是 ASIC 成本上的特點(diǎn)。但對(duì)于 FPGA 來(lái)說(shuō)，換一家餐廳點(diǎn)餐就可以了，反正都沒(méi)有最低消費(fèi)。
因此，對(duì)于一些中小公司來(lái)說(shuō)，如果他們的產(chǎn)品對(duì)于性能有一定要求，需要相對(duì)先進(jìn)的工藝制程的話，他們根本負(fù)擔(dān)不起一次先進(jìn)工藝的流片費(fèi)用，那么只能選擇 FPGA 了。如果他們的產(chǎn)品對(duì)于性能要求不是很高的話，就有可能選擇成熟工藝的 ASIC，老工藝的流片成本還是比較低的。
而對(duì)于大公司就要分情況討論了，如果目標(biāo)產(chǎn)品需要經(jīng)常改變，那么就用 FPGA。如果目標(biāo)產(chǎn)品只是開(kāi)發(fā)初期需要經(jīng)常改變，但定型之后不會(huì)修改的，那么就在初期選擇 FPGA，在定型后轉(zhuǎn)向 ASIC。如果一個(gè)芯片產(chǎn)品已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在第二年只是推出新款的話，也有可能直接使用 ASIC。
另外一方面，就是開(kāi)發(fā)周期了。先進(jìn)工藝的流片費(fèi)用很高，除了高昂的費(fèi)用之外，它的開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)。ASIC 芯片制作過(guò)程也是很花時(shí)間的，所以有些公司為了讓自己的產(chǎn)品更快上市，占據(jù)相應(yīng)的市場(chǎng)，也會(huì)選擇 FPGA。
國(guó)產(chǎn) FPGA
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)資料整理
以 2018 年的數(shù)據(jù)為例，在全球 FPGA 市場(chǎng)上，Xilinx（賽靈思）、Intel（英特爾）、Microsemi（美高森美）、Lattice (萊迪思)這四家公司就占據(jù)了大概 96% 的市場(chǎng)份額。這四家公司和排名第五的 QuickLogic 均是美國(guó)公司，而且在市場(chǎng)占有率僅為 2% 的其它公司中，也還包含著一些美國(guó)公司。
國(guó)內(nèi)的一些 FPGA 公司比如紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電子、高云半導(dǎo)體等企業(yè)尚在發(fā)展階段，與國(guó)外一些先進(jìn)的 FPGA 公司之后仍有一定差距。
工藝上的差距
截取自 Xilinx 官網(wǎng)
截取自 Intel 官網(wǎng)
以 Xilinx 和 Intel，這兩家公司都提供了不同工藝制程的 FPGA 產(chǎn)品，這樣就可以更好的滿足不同需求不同預(yù)算的客戶。其中 Xilinx 的 FPGA 產(chǎn)品目前所采用的最先進(jìn)工藝為 16nm，而 Intel 為 10nm。（僅統(tǒng)計(jì)目前官網(wǎng)上展示的 FPGA 產(chǎn)品，故未統(tǒng)計(jì)例如 Xilinx 7nm 工藝的 ACAP 類產(chǎn)品）
截取自紫光同創(chuàng)官網(wǎng)
而國(guó)內(nèi) FPGA 廠商，以紫光同創(chuàng)為例，其目前的 FPGA 產(chǎn)品種類相對(duì)較少，目前其官網(wǎng)上的 FPGA 產(chǎn)品所采用的最先進(jìn)工藝為 40nm。大概今年 3 月，紫光同創(chuàng)發(fā)布了 28nm 工藝的 Logos-2 系列 FPGA，但目前在官網(wǎng)的產(chǎn)品頁(yè)上未找到相關(guān)信息，僅有發(fā)布的新聞資訊。
截取自 Intel 官網(wǎng)
另一方面，以 Intel 的 Stratix 系列 FPGA 為例，其 40nm 產(chǎn)品 Stratix IV 推出年份為 2008 年，28nm 產(chǎn)品 Stratix V 推出時(shí)間為 2010 年。
推廣上的差距
對(duì)于 FPGA 產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，除了向企業(yè)推廣以外，向?qū)W校推廣也是非常重要的。一般來(lái)說(shuō) FPGA 廠商提供的并不只是 FPGA 芯片，而是包括 EDA 工具在內(nèi)的相對(duì)完整的解決方案。各家廠商一般都會(huì)有自己的 EDA 工具，比如 Xilinx 的 Vivado、Intel 的 QuartusII、紫光同創(chuàng)的 PDS，這些都屬于各家的 FPGA 軟件工具。不同軟件在功能和使用習(xí)慣上是有差異的。所以如果能讓學(xué)校里這些未來(lái)的 FPGA 工程師們能先習(xí)慣使用自家的 EDA 工具和芯片是非常重要的。
就像現(xiàn)在桌面操作系統(tǒng)有兩大廠商，推出 Windows 操作系統(tǒng)的微軟和推出 MacOS 操作系統(tǒng)的蘋果。如果學(xué)生在學(xué)校期間經(jīng)常使用 Windows 系統(tǒng)的話，那么他畢業(yè)之后也會(huì)傾向于使用和購(gòu)買搭載 Windows 系統(tǒng)的設(shè)備。如果經(jīng)常使用 MacOS 系統(tǒng)的話也會(huì)傾向于購(gòu)買蘋果的設(shè)備。
以清華大學(xué)為例，早在 1994 年，Xilinx 就在清華大學(xué)成立了中國(guó)大陸第一個(gè)培訓(xùn)中心。
在招聘網(wǎng)站上，清華大學(xué)招聘 FPGA 工程師的崗位描述上明確指出了需要熟悉 Altera/Xilinx FPGA 設(shè)計(jì)流程。
也有很多其它企業(yè)招聘 FPGA 工程師時(shí)會(huì)明確要求掌握 Intel（Altera）/Xilinx 的設(shè)計(jì)流程，少數(shù)企業(yè)也會(huì)要求掌握 Lattice 的設(shè)計(jì)流程。由此可見(jiàn)，Intel 和 Xilinx 的推廣是比較成功的，紫光同創(chuàng)其實(shí)也在朝這個(gè)方向努力。
出自第七屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì) · 應(yīng)用創(chuàng)新大賽杯賽題目
以 2017 年第七屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì) · 應(yīng)用創(chuàng)新大賽 - 紫光同創(chuàng)企業(yè)杯為例，在紫光同創(chuàng)企業(yè)杯的各種賽題中，設(shè)計(jì)要求里都會(huì)有一條：使用紫光同創(chuàng) Titan 系列 FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)。紫光同創(chuàng)就是通過(guò)這樣的方式來(lái)推廣自己的產(chǎn)品。
這樣一些，部分相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生在畢業(yè)之前就能獲得紫光 FPGA 的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并且開(kāi)始熟悉紫光 FPGA 的開(kāi)發(fā)流程。不過(guò)這種推廣具體反饋到企業(yè)那邊的效果如何，這還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。
挑戰(zhàn)
由于美國(guó)出口管制實(shí)體清單以及一系列美國(guó)政策的出現(xiàn)，很多中國(guó)企業(yè)都開(kāi)始著手于 “國(guó)產(chǎn)替代化”的事業(yè)。特別是針對(duì)像 FPGA 這樣由美國(guó)公司達(dá)成高度壟斷的市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)替代化的重要性不言而喻。這對(duì)于像紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電子、高云半導(dǎo)體這些國(guó)產(chǎn) FPGA 廠商來(lái)說(shuō)是機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi) FPGA 廠商的 FPGA 芯片和 EDA 工具與美國(guó)大廠相比仍有一定差距，因此目前國(guó)產(chǎn)廠商的 FPGA 產(chǎn)品尚不能完全替代美國(guó)的 FPGA 產(chǎn)品。而追上這些差距對(duì)于國(guó)產(chǎn) FPGA 廠商來(lái)說(shuō)也是一大挑戰(zhàn)。
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