FPGA市場再起波瀾
更新時間：2025-02-26 點擊次數：384次
半導體行業在標準化與定制化之間的周期性“擺動"是FPGA出現的潛在底層動力的表現。
百花齊放的芯片浪潮中，FPGA奪得一席之地。新市場涌現、新玩家入局，給這個并購與研發并舉的高壁壘市場，增添了些許波瀾。FPGA芯片是基于可編程器件（PAL、GAL、CPLD）發展而來，是半定制化、可編程的集成電路。FPGA的特殊之處在于，其對底層算法架構的依賴度低，對EDA軟件依賴度高，需要EDA軟件去輔助完成設計。FPGA芯片出廠時沒有特定的功能，通過FPGA專用EDA軟件現場對硬件進行編程可以實現具體用戶需要的功能。受益于與眾不同的架構，FPGA的可編程屬性使其相比其他處理器，在算力、成本、功耗之間更能取得平衡。相對于ASIC芯片，FPGA更具靈活性，大大縮減了專用芯片束縛的限制；相對傳統可編程器件可添加更大規模電路數量以實現多元功能。與CPU、GPU這類處理器相比，FPGA在功耗和計算速度方面具備優勢。FPGA普遍被認為是構建原型和開發設計的推進路徑之一，具有編程、除錯、再編程和重復操作等優點，作為定制化ASIC領域的半定制電路而出現。在采用FPGA進行設計時，設備制造商可以在開發現場自由改寫電路結構，而無需向半導體廠商支付包括掩膜在內的開發費用，同時在完成電路結構設計之后也無需執行布局、布線等工作，顯著縮短IC開發周期。隨著5G、AI等技術的提升，FPGA市場規模穩步增長，2020年FPGA銷售額已超過60億美元，Frost&Sullivan預計，FPGA市場規模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復合增長率約為16.4%。 FPGA起源于Xilinx（賽靈思）公司，賽靈思于1985年推出世界首塊商業化FPGA芯片“XC2000"，通過自創的門陣列通用結構推動芯片從定制化向標準化邁進。FPGA芯片由邏輯功能塊排成陣列矩陣，并由可編程的互連資源連接這些邏輯功能塊來實現不同的設計，是在前期PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，既解決了傳統可編程器件門陣列數有限的缺點，具備更大的規模容量進而提高性能；同時現場可編程的特點幫助其克服了ASIC芯片靈活性不足的缺陷。從上世紀80年代，FPGA在具有TTL的膠合邏輯中找到了自己的利基市場，再到十年后，FPGA愈發復雜，引入了大型SRAM模塊、嵌入式DSP模塊中的乘法器-累加器、嵌入式處理器軟核、I/O和SerDes接口。再到后來，以賽靈思為代表的FPGA企業通過自適應加速平臺等異構計算平臺及產品，讓FPGA更加靈活地根據不同工作負載進行自適應加速。賽靈思的Versal系列號稱業界ACAP，即自適應計算加速平臺，集成了CPU、GPU、FPGA、Programmable NoC、DMA、PCIe5和100G以太網等功能，可實現特定域的自適應架構，為整個應用加速，進一步提升了FPGA在加速器市場的穿透力。發展至今，FPGA與ASIC技術融合、向系統級發展成為新的趨勢，軟硬件相結合，兼具性能和靈活性，誕生SoC FPGA和eFPGA兩種路徑。與獨立FPGA器件相比，eFPGA是一種相對較新的技術，其可被集成到ASIC，或提供FPGA晶粒進行多芯片封裝（MCM）而集成到其中。eFPGA的典型應用包括汽車駕駛員輔助系統、計算性存儲加速器、人工智能/機器學習和5G基礎設施等。這些應用都使用了集成了eFPGA IP的定制ASIC器件，以提供工作負載和算法靈活性。前景大好的形勢下，許多企業開始垂涎FPGA領域，市場出現諸多相關企業的并購案例，不止同行的大吃小，還有類似英特爾收購Altera、AMD收購賽靈思等跨領域的兼并之舉。這些公司的收購重組實現了產品細節的優勢互補，致力于為客戶提供更專業豐富服務、打造可編程邏輯生態平臺提供捷徑。作為CPU領域的前二廠商，英特爾與AMD這對“老對手"在處理器和超算領域的競爭有來有回，在拓展FPGA業務方面卻顯得相當默契，先后將FPGA、第二的廠商納入麾下。在云計算和AI導致的算力需求爆發和混合計算架構迅速發展的情況下，CPU廠商收購FPGA廠商可直接補強其FPGA支撐的并行和可編程計算技術，使他們在新興異構計算架構時代保持。以英特爾為例，在收購了Altera之后，英特爾成立了新的業務部門——可編程解決方案事業部（PSG）。除了加強現有的 FPGA 業務，可編程解決方案事業部還將與英特爾數據中心事業部和物聯網事業部密切合作，推出下一代高度自定義集成產品和解決方案。外部并購與內部研發的雙核驅動下，技術實力正在鑄就FPGA行業的高技術壁壘，催生新的行業應用與市場空間。
誕生于1985年的FPGA雖然問世時間不長，但已經憑借“可編程"的優勢，在百花齊放的芯片浪潮中奪得一席之地，成為CPU、GPU、ASIC等之外的又一勁旅。FPGA的靈活性使芯片設計人員可通過硬件描述語言，用軟件的形式將各種數理邏輯下載到FPGA 里，從而重新定義芯片功能，尤其是在技術標準尚未成熟或發展更迭速度快的行業領域，只需要幾百毫秒即可更新芯片的邏輯功能的FPGA能有效幫助企業降低投資風險及沉沒成本，是一種兼具功能性和經濟效益的選擇，這是其他數字芯片所無法實現的。基于設計靈活、兼容性強、并行計算、適用性強等特點，FPGA芯片被廣泛應用在智能設備中。早期，因無需高額流片即可驗證芯片產品，在量產初期或者開展研發類項目，FPGA的性價比優勢明顯，在部分應用場景可實現對ASIC的部分替代。但當量產規模提升后，FPGA的性能優勢以及成本優勢反而下降，且該時期內FPGA的傳統優勢反而對產品及市場推廣意義較低，因此該時期OEM廠商通常會使用ASIC。目前，FPGA芯片應用場景覆蓋了包括網絡通信、工業控制、消費電子、數據中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場。未來，隨著新一代通信設備部署以及人工智能與自動駕駛技術等新興市場領域需求的不斷增長，FPGA芯片市場規模預計將持續提高。網絡通信領域是FPGA下游應用泛的場景，有效實現了大量高速數字信號處理功能。有數據顯示，2018年FPGA通信市場占據整體應用市場近45%。FPGA目前被大量應用在有線及無線通信設備中，實現接口擴展、邏輯控制、數據處理、單芯片系統等功能。同時，5G商業化浪潮正在為FPGA打開新的成長空間，基站數量、擴展性、異構性需求將帶動FPGA器件用量提升。另一方面，由于5G通訊擁有較長的迭代升級過程和較大的技術不確定性，這使得市場很難快速推出成熟的5G ASIC芯片，從而為FPGA在5G領域的運用提供了較長的時間窗口。在整個5G系統方案穩定運行前，FPGA是更加理想的解決方案，而隨著FPGA整體技術水平的不斷提升，其總體持有成本較低的優勢期有望持續延長。工業市場是FPGA僅次于通信的第二大市場，FPGA可幫助工業應用實現更智能化、高性能、低能耗的解決方案。以數控機床馬達為例，與傳統只能控制單一馬達的專用芯片相比，基于FPGA的多通道馬達控制能夠實現。隨著以自動化為核心要素的智能無人工廠的發展，正在從以人力資源為核心要素轉向以自動化為核心要素的智能化無人工廠，集成化與安全性要求提高，FPGA實時性和高并行性價值將更加凸顯。消費電子市場對產品性價比要求較為嚴苛，為實現性價比與差異化的平衡，消費電子廠商目前已形成一種類似協處理器，功能簡單、功耗低、性價比高的以FPGA作為主芯片的解決方案。此外，消費電子產品迭代周期快，FPGA芯片開發周期較短特點與消費電子板塊匹配。同時，FPGA芯片靈活支持接口轉換，可實現各種存儲接口的控制，簡化外圍電路設計。在汽車電子領域，FPGA芯片因低時延存在天然優勢。由于FPGA具有強邏輯性，當汽車電子系統當中的邏輯單元較多時，采用FPGA技術能夠將這些邏輯單元準確排列，提高汽車電子系統中邏輯單元的利用率；同時，由于FPGA內部結構較易實現分布式算法結構，對實現汽車電子中的高速數字信號處理十分有利。FPGA在汽車領域可應用于ADAS、車載攝像頭、傳感器、激光雷達、車載娛樂信息系統等，應用面廣泛。此外，FPGA方案可以在不進行重新設計的前提下實現重新編程，以適應不斷發展的算法，從而縮短整體方案的開發周期。Frost&Sullivan數據顯示，2020年應用于汽車電子領域的FPGA芯片中國銷售額將達到9.5億元，占中國FPGA芯片的6.3%，2021年-2025年年均復合增長率將達到22.7%。通過其適用市場可以看到，FPGA相比較于其他通用邏輯器件或者ASIC，在靈活性、小規模部署成本方面有優勢，正好滿足了5G通信業務靈活部署、AIoT市場長尾碎片化的需求。但是，優勢之外，FPGA存在規模普及的難點，由于較高難度的編程設計，對于更新周期極快的IC行業，客戶需要便捷方便的設計環境，以提升生產力、縮短上市時間、盡可能實現集成化需求。這就對賽靈思、英特爾等FPGA芯片廠商提出了要求，通過增加軟件的通用性來進一步降低客戶的使用壁壘。
最近兩年，由于云計算、高性能計算和人工智能的繁榮，給FPGA帶來新的市場推動力，催化增量空間。在人工智能領域，AI大規模發展目前仍存在許多芯片層面的問題，AI的基礎硬件需要滿足低延遲、高性能、高可靠性、高性價比等要求，這些剛好是FPGA能夠充分滿足的。FPGA芯片已與GPU及ASIC等芯片一起成為人工智能處理芯片的重要選擇之一。在AI市場，FPGA芯片可以作為加速卡加速人工智能算法的硬件級運算速度。高密度FPGA面向云側并行運算需求，中低密度面向端側推斷任務轉移。云端：FPGA流水線并行結構，可以實現更高的并發處理。FPGA可針對數據包步驟數量搭建同等數量流水線，數據包經多個流水線處理后可即時輸出，無需像GPU一樣數據單元一致輸出，因此計算密集型任務（如圖像處理、機器學習等）中，擁有流水線并行和數據并行的高密度FPGA效率更高。端側：當推斷決策任務轉至智能終端，中低密度FPGA迎來用武之地。隨著智能終端對實時響應和多樣化應用的需求，越來越多的推斷任務被轉移到端側來完成。為實現推斷任務的轉移，通常對訓練后的人工智能算法模型進行壓縮，進而應用到推理環節，FPGA芯片可實現快速推斷決策的特點也使其可廣泛應用于該領域。因此，FPGA 芯片在矩陣運算、圖像處理、機器學習、非對稱加密、搜索排序等人工智能領域有著很廣闊的應用前景。Semico Research預測，FPGA在人工智能領域的市場規模2023年有望達52億美元，五年復合增速38.4％。在高性能計算和數據中心市場，FPGA 芯片不但可以作為運算加速器，還可以作為連接器件讓大型數據中心中眾多的運算處理器和運算加速器更緊密地結合。FPGA在數據中心領域主要產品形態為加速卡，用于硬件加速。位于網絡交換層與傳統服務器軟件之間，加速層通過眾多FPGA支撐虛擬網絡模型計算任務，使得硅片內存完整加載模型權重，突破DRAM性能瓶頸，同時剩余資源可用于深度神經網絡等計算任務。英特爾FPGA中國創新中心總經理張瑞在接受采訪時表示，從未來發展角度來看，FPGA在加速器市場的需求會很大。包括數據中心當中的加速器，數據中心之外的加速器，都需要通過FPGA做各種加速。當前，FPGA已成為數據中心加速器市場中成長領域，據Semico Research預計，市場數據中心加速器市場將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年復合增長率49.47％；其中，FPGA預計將是年復合增長率的細分市場，該增長將由企業級工作負載加速應用對FPGA越來越多的采用而驅動。在數據中心市場增速迅猛的趨勢下，在近日SC21 超級計算大會上，賽靈思宣布推出 Alveo™ U55C 數據中心加速器卡，以及一款基于標準、API-driven的集群解決方案，用于大規模部署FPGA。專為HPC和大數據工作負載而構建，可令運行大規模計算工作負載的各類客戶大獲裨益，支持其利用現有數據中心基礎架構和網絡，實現*的基于FPGA的HPC集群。回顧過去，在傳統的FPGA業務模型里，FPGA廠商通常只負責賣給客戶FPGA芯片和FPGA的開發工具這兩樣東西，然后主要的開發過程往往由客戶完成。如今，FPGA廠商更傾向于提供給客戶一個完整的系統級解決方案。兩大FPGA廠商賽靈思和英特爾目前紛紛推出的各類FPGA加速卡，就是這個趨勢的典型代表。總體而言，在今天，FPGA廠商已經從單純提供FPGA芯片和底層開發工具，逐漸轉變成提供基于FPGA加速卡和完整軟件開發環境的全棧式解決方案。同時，第三方FPGA加速卡的出現，也極大的豐富了FPGA加速卡產品的可選擇性，以針對不同應用場景下的用戶需求。通過提供這些完整的開發環境，大大簡化了FPGA的開發難度，使得軟件開發人員也能在短時間內完成算法模型的FPGA實現。這些轉變背后的主要動力，就是當前FPGA在諸多領域的廣泛而深入的使用。只要FPGA還能不斷推動AI和大數據時代的發展，這個趨勢就會繼續前行。FPGA廠商的目的在于不斷提供原廠軟硬件解決方案的同時，也在不斷吸收第三方的IP與應用，從而構建一個完整的FPGA生態系統。此外，近期DPU和智能網卡概念異常火爆，從Mellanox、英偉達到英特爾，各路諸侯紛紛加入戰場，各種概念Smart NIC、DPU、IPU層出不窮。FPGA被集成到智能網卡或DPU中，用于降低高負載應用情況下的切換帶來的延遲和網絡抖動，以及把一些需要硬件加速的通用計算用FPGA加速，進一步釋放CPU。FPGA可提供*的計算能力和足夠的靈活性，具有低延遲、高功耗的特點。英特爾2021年6月發布的IPU產品（可以被視為英特爾版本的DPU），將FPGA與Xeon D系列處理器集成，成為了DPU賽道有力的競爭者。
不斷擴展的應用市場之外，半導體老玩家的跨行入局或給FPGA市場增添新的“變數"。近日，半導體解決方案的主要供應商瑞薩電子推出全新的超低成本、超低功耗產品線ForgeFPGA™，進軍FPGA市場。瑞薩表示，這款FPGA的批量價格將遠低于0.5美元，主要服務于低于5000邏輯門應用的中低密度市場，其初始器件尺寸為1K和2K查找表（LUT）。預計待機功耗低于20uA，是現有功耗的產品，約為競品的一半，這將有助于幫助瑞薩電子進入以前由于成本限制而無法使用FPGA的應用市場，如大批量消費和物聯網應用。據中國電子報消息，ForgeFPGA產品家族開發團隊來自被Dialog收購的Silego Technology公司，其曾經推出GreenPAK可編程混合信號器件。瑞薩最近完成了對Dialog的收購，并將該產品納入自身的產品組合。瑞薩電子物聯網及基礎設施事業本部混合信號事業部副總裁Davin Lee表示：“我們渴望將瑞薩在小型、低成本、可編程市場的表現擴展至FPGA領域。"近年來，瑞薩電子頻頻啟動收購擴大自身的產品線。2017年，瑞薩電子以32億美元收購Intersil公司，2019年以67億美元完成對IDT公司的收購，今年8月瑞薩電子再次以約48億歐元收購Dialog公司。通過一系列的收購，瑞薩電子將觸角擴大到嵌入式處理器、模擬、電源和通信連接等諸多領域。瑞薩作為的半導體廠商，具有多年研發經驗和市場積累，并具有與客戶的直接溝通優勢。小型、低成本FPGA的推出對FPGA的產品或許不會造成太大沖擊，但不可避免的會對中低端FPGA的生產廠商形成巨大的競爭壓力。盡管此時談其對市場的沖擊尚早，FPGA并非終端產品，應用場景還需要拓展，需要依賴瑞薩自身結合MCU、模擬、電源等開發出組合產品，拿出較好的應用范例。但瑞薩的入場，也給看似穩固的FPGA市場增添了一絲波瀾。
波瀾還體現在另一方面，隨著賽靈思被AMD收購的行進，以及早期Altera被英特爾的并入，在先后被收購之后，FPGA垂直賽道似乎缺少了的，獨立FPGA企業（包括Lattice、Achronix、Flexlogic等以及國內FPGA企業）的未來成為了很多人關心的問題。從Achronix發展來看，盡管依舊被兩大牢牢把持，但在細分領域挖掘機會的Achronix也形成了自己的特色和的競爭力，除了“傳統"FPGA芯片產品之外，Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商。上文也有介紹，與獨立的FPGA設計過程不同，eFPGA設計者可以選擇客戶應用程序所需的邏輯、DSP和內存資源，進一步提高靈活性，同時還能夠降低系統成本。另外，eFPGA的最主要特點是能將可編程邏輯單元與其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在縮小芯片面積的同時降低系統功耗，具有低延遲和高帶寬的優點。從其發展路徑來看，Achronix正在憑借無二的模式在FPGA突圍路上躍躍欲試。目前，Achronix的eFPGA IP廣泛應用高性能、計算密集型和需要實時處理的應用程序，比如AI、機器學習、5G和汽車等，將目標瞄準近100億美元的數據加速市場，預計到2025年，其復合年增長率將達到兩位數。此外，Achronix已經將自己的FPGA調整為成為下一代數據中心核心的DPU，搶占行業先機。能夠發現，在新的需求不斷涌現、算法迅速迭代的新時代，加強創新、關注新興市場和差異化市場，形成行業壁壘，或是獨立FPGA企業新的追趕機遇。但也有觀點指出，從短期來看，公司間的并購可能會對整體市場帶來一些短暫的波動，例如價格，交期等各方面的影響。但從長遠來看，這種波動會很快平息，市場會逐漸趨于穩定。或許吧，在任何穩固的市場中都難有實現突圍的機會。對于中小FPGA廠商來說，能做的可能就是在每一次短暫的波動中尋求機遇，快速發展。否則，終將被趨于穩定后的市場再次拉大距離。 當前時代，計算力就是生產力。算力的變革往往會催生新的計算形式，并驅動產業鏈的整合兼并。曾經，原型設計、新品開發等需求催生了靈活可編程的“芯片"FPGA。如今，數據中心、AI、5G等高算力需求，正在為FPGA開辟新的市場空間。在下一波計算浪潮中，預計業界將繼續采用FPGA來支持更多應用和進一步的發展，諸如智能網聯和自動駕駛、邊緣計算、以及用于可編程無線電和前傳融合的5G基礎設施等等。面對巨大的市場前景和機遇，行業玩家紛紛入局，試圖分一杯羹。縱觀行業格局，在范圍內，FPGA行業的主要常年被賽靈思和英特爾兩家公司牢牢掌握，兩者合計超過85%。隨著時間的積累，這兩家公司逐漸構建起一道由上萬件核心技術組成的“護城河"，而這條護城河也成功阻止了很多FPGA公司進一步發展的腳步。一些存活下來的公司，比如Lattice和Microsemi也往往只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等特殊的應用領域，當前合計占據5.6%的。FPGA是一個技術壁壘高的行業，硬件結構復雜且良率低，隨著FPGA芯片密度越來越高，軟硬協同研發對設計公司提出了更大的難度。由于起步時間較晚，產品迭代優化均需要長期積累，國產FPGA廠商在生態系統、技術、研發人才、研制難度等方面仍面臨較大挑戰。目前在FPGA IP領域，國內既缺乏諸如Cadence等此類IP公司，Achronix此類的細分化、專業化的IP公司也尚未出現，IP均存在嚴重依賴。但盡管市場被國外企業高度壟斷，中國FPGA的市場規模及前景也不容忽視。根據Frost&Sullivan數據，中國FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2020年的約150.3億元，年均復合增長率約為23.1%。隨著5G、AI以及數據中心等市場的發展，國產替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望持續擴大。預計到2025年，中國FPGA市場規模將達到約332.2億元，增速遠高于市場。從整個產業鏈或芯片品類來看，FPGA或只是小眾的芯片，但在各新興市場不斷涌現，半導體國產化替代趨勢逐漸加速的市場現狀下，本土企業在每一種技術路線上都有更多的發揮空間。有業內人士表示，在這輪FPGA市場的變革當中，國產獨立FPGA企業將承擔更多國產化需求角色。與此同時，國產獨立FPGA企業也將更多的助力遍地開花的國產芯片企業的崛起，并在差異化應用場景滿足各類需求。結合近日剛剛登陸科創板的安路科技，以及高云半導體、紫光同創、復旦微電子、京微齊力等本土FPGA廠商的動態和產品進展，都呈現出欣欣向榮的景象。但景氣背后，從技術層面來看，獨立的國產FPGA和國外差距仍舊較大。正如“老石談芯"所強調的：技術的發展沒有捷徑，不要過分迷信“彎道超車"。特別是對于壁壘的FPGA產業，不論是芯片架構、關鍵IP、高速接口等芯片硬件設計，還是FPGA設計工具和生態系統建設，都不太可能通過一次次“彎道超車"實現。Achronix的技術積累并非一蹴而就，而是需要長達十幾年的時間不斷沉淀和創新。只有不斷在正確的賽道上積累和加速，才能像Achronix那樣，有朝一日在主流舞臺和那些主要玩家們同場競技。國內FPGA企業要擁抱新技術、新方向，去發掘更多的差異化市場，貼合細分市場需求進行“微創新"；要有離開“舒適區"，敢于對決的勇氣，向不斷蓬勃涌現的新興FPGA應用領域發起沖擊。免責聲明：部分圖片與視頻來源網絡，如有侵權請通知刪除
