FPGA的前世今生

FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA芯片由輸入/輸出塊、可配置邏輯塊和可編程互聯(lián)三部分組成，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能，因此FPGA的使用非常靈活。

FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。它的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天/國(guó)防、消費(fèi)電子、工業(yè)、電子通訊等。

架構(gòu)方面，F(xiàn)PGA擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據(jù)客戶(hù)定制來(lái)做針對(duì)性的算法設(shè)計(jì)。除此以外，在處理海量數(shù)據(jù)的時(shí)候，F(xiàn)PGA相比于CPU和GPU，獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)在于:FPGA更接近IO。換句話(huà)說(shuō)，F(xiàn)PGA是硬件底層的架構(gòu)。

比如，數(shù)據(jù)采用GPU計(jì)算，它先要進(jìn)入內(nèi)存，并在CPU指令下拷入GPU內(nèi)存，在那邊執(zhí)行結(jié)束后再拷到內(nèi)存被CPU繼續(xù)處理，這過(guò)程并沒(méi)有時(shí)間優(yōu)勢(shì);

而使用FPGA的話(huà)，數(shù)據(jù)I/O接口進(jìn)入FPGA，在里面解幀后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或預(yù)處理，然后通過(guò)PCIE接口送入內(nèi)存讓CPU處理，一些很底層的工作已經(jīng)被FPGA處理完畢了(FPGA扮演協(xié)處理器的角色)，且積累到一定數(shù)量后以DMA形式傳輸?shù)絻?nèi)存，以中斷通知CPU來(lái)處理，這樣效率就高得多。

性能方面，雖然FPGA的頻率一般比CPU低，但CPU是通用處理器，做某個(gè)特定運(yùn)算(如信號(hào)處理，圖像處理)可能需要很多個(gè)時(shí)鐘周期，而FPGA可以通過(guò)編程重組電路，直接生成專(zhuān)用電路，加上電路并行性，可能做這個(gè)特定運(yùn)算只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。

比如一般CPU每次只能處理4到8個(gè)指令，在FPGA上使用數(shù)據(jù)并行的方法可以每次處理256個(gè)或者更多的指令，讓FPGA可以處理比CPU多很多的數(shù)據(jù)量。

舉個(gè)例子，CPU主頻3GHz，F(xiàn)PGA主頻200MHz，若做某個(gè)特定運(yùn)算CPU需要30個(gè)時(shí)鐘周期，F(xiàn)PGA只需一個(gè)，則耗時(shí)情況:CPU:30/3GHz=10ns;FPGA:1/200MHz=5ns。可以看到，F(xiàn)PGA做這個(gè)特定運(yùn)算速度比CPU塊，能幫助加速。

快速成長(zhǎng)的FPGA市場(chǎng)

2018年全球FPGA市場(chǎng)約為60億美金左右，預(yù)計(jì)隨著AI+5G的應(yīng)用展開(kāi)，市場(chǎng)容量有望在2025年達(dá)到125億美金左右的規(guī)模，年復(fù)合增長(zhǎng)率10.22%。

同時(shí)在亞太地區(qū)尤其在中國(guó)，新興基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)用的鋪開(kāi)，F(xiàn)PGA的復(fù)合增速將有望顯著優(yōu)于其他地區(qū)，而成為FPGA重要的市場(chǎng)抓手。

在下游應(yīng)用領(lǐng)域，電子通訊仍然占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額，達(dá)到40%左右，這其中5G+AI都是主要的需求;而增速最快的是汽車(chē)，CAGR將至13.1%。

從供應(yīng)鏈角度看，F(xiàn)PGA生產(chǎn)廠(chǎng)商處于整個(gè)電子行業(yè)的上游，并多數(shù)以Fabless的模式運(yùn)營(yíng)(Altera除外，已被Intel收購(gòu)，屬于IDM)，F(xiàn)PGA同樣追求最先進(jìn)的工藝制程和節(jié)點(diǎn)，目前最先進(jìn)的FPGA采用7nm工藝制程，由Xilinx率先發(fā)布，臺(tái)積電制造。

目前FPGA的主要產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商仍然集中在歐美地區(qū)，以Altera(被Intel收購(gòu))，和Xilinx兩家為主。兩家合計(jì)額的市場(chǎng)份額占到72%。

FPGA行業(yè)是一個(gè)高進(jìn)入壁壘領(lǐng)域，市場(chǎng)前景誘人。由于FPGA軟件開(kāi)發(fā)難度大，需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、IP多且雜，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后。

從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)一定會(huì)加速FPGA的國(guó)產(chǎn)化，政府對(duì)國(guó)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)有一定力度的扶持。

此外在A(yíng)I、LoT、5G快速發(fā)展的推動(dòng)下，中國(guó)將有龐大的FPGA增量市場(chǎng)。因此，這是國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商快速切入的時(shí)機(jī)。

國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商有上海復(fù)旦微，紫光同創(chuàng)、京微雅格、高云半導(dǎo)體、上海安路、西安智多晶等，但是同國(guó)外領(lǐng)先廠(chǎng)商相比，國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商不論從產(chǎn)品性能、功耗、功能上都有較大差距。

“5G+AI”帶來(lái)FPGA新增長(zhǎng)引擎

FPGA在電子通信領(lǐng)域增加帶寬的應(yīng)用有望得到迅速擴(kuò)張，以5G+AI為主要應(yīng)用場(chǎng)景的需求將迅速提升FPGA的市場(chǎng)容量。

電子通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展有望推動(dòng)FPGA市場(chǎng)的擴(kuò)張。智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的不斷增長(zhǎng)增加了電子通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

全世界范圍內(nèi)城市和農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)數(shù)量都在不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致了諸如3G、4GLTE和5G等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并產(chǎn)生了電子通訊領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)的旺盛需求。

與FPGAs耦合的設(shè)備高帶寬收發(fā)器被用來(lái)滿(mǎn)足這一需求。

小的FPGA設(shè)備提供接口和控制功能，大的設(shè)備可以使用一個(gè)或多個(gè)FPGAs完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

將硬IP集成到公共接口和處理功能中大大提高了FPGA在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的生產(chǎn)率。

此外，硅工藝的引入極大增加了邏輯單元的最大數(shù)量。這些特性使得FPGA在電信行業(yè)的應(yīng)用中具有吸引力。

隨著人工智能領(lǐng)域等方面的展開(kāi)，F(xiàn)PGA也受到了越來(lái)越多的異構(gòu)計(jì)算方面的青睞。人工智能算法所需要的復(fù)雜并行電路的設(shè)計(jì)思路適合用FPGA實(shí)現(xiàn)。

FPGA計(jì)算芯片布滿(mǎn)“邏輯單元陣列”，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊，輸入輸出模塊和內(nèi)部連線(xiàn)三個(gè)部分，相互之間既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的獨(dú)立基本邏輯單元。

注意FPGA與傳統(tǒng)馮諾伊曼架構(gòu)的最大不同之處在于內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)。FPGA在本質(zhì)上是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件的算法，因此在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法方面有一些難度。

FPGA相對(duì)于CPU與GPU有明顯的能耗優(yōu)勢(shì)，主要有兩個(gè)原因。首先，在FPGA中沒(méi)有取指令與指令譯碼操作，在Intel的CPU里面，由于使用的是CISC架構(gòu)，僅僅譯碼就占整個(gè)芯片能耗的50%;在GPU里面，取指令與譯碼也消耗了10%~20%的能耗。

其次，F(xiàn)PGA的主頻比CPU與GPU低很多，通常CPU與GPU都在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠(yuǎn)低于CPU與GPU。

Intel167億美元收購(gòu)Altera，IBM與Xilinx的合作，都昭示著FPGA領(lǐng)域的變革，未來(lái)也將很快看到FPGA與個(gè)人應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的整合。

FPGA在功耗和性能上相對(duì)同等級(jí)的CPU,有較大的優(yōu)勢(shì)。CPU+FPGA在人工智能深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，將會(huì)是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

在5G通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA是基站單元BBU里進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。

射頻前端信號(hào)在轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，需要使用FPGA來(lái)計(jì)算。

FPGA提供軟件、硅、硬件等參考設(shè)計(jì)工具，這些工具允許用戶(hù)使用最少的HDL知識(shí)或任何其他FPGA特定語(yǔ)言開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)。這些工具的使用使得基于FPGA的系統(tǒng)的速度已經(jīng)顯著增加。

FPGAs的主要優(yōu)點(diǎn)是具有重新編程的靈活性，并兼具成本優(yōu)勢(shì)。

它也能夠?qū)崿F(xiàn)任何ASICs能實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。同時(shí)，應(yīng)用DSP和FPGA組合可使成本降低。對(duì)于無(wú)線(xiàn)基站，F(xiàn)PGA和DSP可編程邏輯的系統(tǒng)配分，可促使更大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和市場(chǎng)成功率。

基站的建設(shè)帶動(dòng)FPGA增長(zhǎng)

小基站需求迅速增長(zhǎng)，出貨量將超過(guò)2000萬(wàn)個(gè)。

Dell'OroGroup發(fā)布了一份《移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)五年預(yù)測(cè)報(bào)告》，該報(bào)告預(yù)測(cè)，接下來(lái)的5年時(shí)間里，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于宏基站、小基站的需求將會(huì)是“迅猛式”，同時(shí)了解到,這份報(bào)告預(yù)測(cè)，基站出貨量將超過(guò)2000萬(wàn)個(gè),5G新空口大規(guī)模天線(xiàn)陣列(MassiveMIMO)收發(fā)器的出貨量將超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)。

2018年美國(guó)小基站增速達(dá)560%。美國(guó)無(wú)線(xiàn)通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)(CTIA)近日發(fā)布市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，其中顯示，截至2017年末，美國(guó)在網(wǎng)正常運(yùn)行的移動(dòng)通信基站總數(shù)量是32.3448萬(wàn)個(gè)，在過(guò)去的10年時(shí)間中增加了52%;而且尤其這得一提的是，“基站的密集部署”成為發(fā)展趨勢(shì)---小基站數(shù)量從2017年的1.3萬(wàn)個(gè)猛升至2018年的8.6萬(wàn)個(gè)，增幅高達(dá)560%，而且預(yù)計(jì)在5G時(shí)代仍將保持高增速。

FPGA在通信發(fā)展中的重要地位，通訊的發(fā)展帶來(lái)FPGA量?jī)r(jià)齊升。

通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算沒(méi)有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒(méi)有FPGA，因?yàn)楹诵木W(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見(jiàn)的2G-3G-4G以及即將到來(lái)的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實(shí)際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品)中實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠(chǎng)家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。

一般來(lái)講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號(hào)越高端，單片更貴。

基站側(cè)用的FPGA總價(jià)高，隨著5G部署，全球基站數(shù)有望破億。

基站的量非常大，基站雖然和手機(jī)的量沒(méi)法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球存量基站有數(shù)千萬(wàn)(5G部署后，可能會(huì)輕松破億)，每個(gè)基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子(根據(jù)配置不同而不同)，除了電源和風(fēng)扇板子沒(méi)有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。

其次，基站里面用的FPGA型號(hào)也不會(huì)太低端，因?yàn)橐幚韽?fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個(gè)重要的考慮。

一般來(lái)講，基站中的芯片價(jià)格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價(jià)格過(guò)高比如幾千甚至上萬(wàn)人民幣的芯片，最多在初期原型驗(yàn)證用，不會(huì)大規(guī)模發(fā)貨。

最后，基站主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級(jí)，而且也比較適合FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。

我們可以看到，一個(gè)5G基站對(duì)FPGA需求量幾乎是一個(gè)4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價(jià)值量約為4G基站的1.7倍，F(xiàn)PGA的價(jià)值量比4G基站多大約1000美元的價(jià)值量。

由此我們可以測(cè)算，將1000個(gè)4G基站替換成5G基站，帶來(lái)的FPGA的價(jià)值量提升約為100萬(wàn)美元，據(jù)wind數(shù)據(jù)，中國(guó)移動(dòng)2016年的4G基站數(shù)就有151萬(wàn)個(gè);若直接新建1000個(gè)5G基站則將帶來(lái)接近300萬(wàn)美元的價(jià)值增量，而現(xiàn)在的基站存量就有幾千萬(wàn)個(gè)。隨著基站出貨量的激烈增長(zhǎng)及5G的部署，F(xiàn)PGA將迎來(lái)迅猛的增長(zhǎng)。