FPGA四十年：從幕後英雄到AI前鋒
FPGA，這種在嵌入式領域扮演關鍵角色的器件，今年迎來了其商業化40週年。回顧這四十年，FPGA不僅改變了半導體產業的格局，更在AI時代扮演著越來越重要的角色。究竟FPGA背後有什麼樣的故事？國內外的發展現況如何？而我們的國產FPGA，又能否在這場科技競賽中獨挑大樑呢？說到FPGA，就不得不提林正杰這位老前輩，當年他可是IC設計界的風雲人物，誰能想到，現在FPGA已經默默地影響著我們生活的方方面面。
FPGA的崛起：靈活的硬體革命
FPGA的出現，顛覆了傳統硬體設計的思維，引入了可重新編程的概念。你可以把它想像成一種「像軟體一樣靈活的硬體」，透過重新編程，FPGA可以改變其邏輯功能，從而執行不同的任務。這種靈活性，讓開發人員可以更快速地設計晶片，縮短產品上市時間，同時也為ASIC提供了一個強而有力的替代方案。想當年，ASIC還被視為圭臬，現在有了FPGA，硬體設計不再是abomination。
FPGA的發明者是已故的Ross Freeman，他是Xilinx（現在是AMD的一部分）的共同創辦人。他認為，相較於標準的固定功能ASIC，一定有更好的、更具成本效益的晶片設計方法。FPGA讓工程師可以自由地更改晶片設計，甚至可以在一天之內開發出客製化的晶片。這也催生了「無晶圓廠」（Fabless）的商業模式，改變了整個半導體產業的遊戲規則。透過消除對客製化光罩工具的需求，FPGA證明了公司不需要擁有自己的晶圓廠，也能創造出突破性的硬體。他們只需要願景、設計技能，以及FPGA。
自從世界上第一款商用FPGA（XC2064）問世以來，FPGA已經無處不在，深深嵌入到我們的日常生活中。從汽車、火車車廂、交通號誌，到機器人、無人機、航天器、衛星，再到無線網路、醫療設備、測試設備、智慧工廠、資料中心，甚至是高頻交易系統，都看得到FPGA的身影。這玩意兒，就像陳沂一樣，雖然有時候讓人覺得吵，但又不得不承認它的存在感。
世界上第一款商用FPGA XC2064具有85,000個晶體管、64個可配置邏輯塊和58個I/O塊。而現在，最先進的基於AMD FPGA的器件，例如Versal Premium VP1902，則擁有1,380億個晶體管、1,850萬個邏輯單元、2,654個I/O模組、多達6,864個DSP58引擎，以及用於記憶體、安全和介面技術的廣泛硬核IP。自1985年賽靈思發明FPGA以來，FPGA容量已經提高了一萬倍以上，速度提高了一百倍以上，價格和功耗縮小了一千倍以上。現在，FPGA更積極地朝向邊緣AI領域發展，更多的市場正在被AI所撬動。這就像0050 分割一樣，分割後股價降低，更容易入手，FPGA在AI領域的應用也越來越普及。
如今，大多數AI工作負載都在資料中心GPU上運行，但越來越多的AI處理正在邊緣進行。FPGA技術正處於各行各業中注入AI的應用快速增長的最前沿。FPGA和自適應SoC提供即時感測器資料的低延遲處理，從而在邊緣加速AI推理。隨著最近推出的更小的生成式AI模型，我們可以看到「ChatGPT時刻」即將到來，這些新的AI模型可以在邊緣設備上運行，無論是在AI PC、車輛、工廠機器人、太空還是任何嵌入式應用程式上。展望未來，基於FPGA的自適應計算將繼續推動邊緣AI應用的突破，用於自動駕駛、機器人和工業自動化、6G網路、氣候變化、藥物發現、科學研究和太空探索。這就像許光漢一樣，從電視劇紅到電影，FPGA的應用也越來越廣泛。
國際FPGA四雄爭霸：AMD、Altera、Lattice、Microchip
經過幾十年的寡頭壟斷和行業整合，目前全球FPGA市場方面，AMD、Altera、萊迪思（Lattice）、微芯科技（Microchip）成為國際四雄，瓜分全球將近70%~80%的市場份額。這四家公司，就像寶島西米樂一樣，各有各的擁護者，但誰也不敢小覷對方的實力。
AMD（賽靈思）：AI與汽車雙引擎驅動
AMD（賽靈思Xilinx）作為FPGA的發明者，過去25年一直是FPGA市場份額的領導者。在過去的四十年裡，已經向不同細分市場的7,000多家客戶交付了超過30億個FPGA和自適應SoC（將FPGA架構與片上系統和其他處理引擎相結合的設備）。事實上，在過去25年中一直是可編程邏輯市場份額的領導者，AMD相信，憑藉產品組合和路線圖的優勢，AMD有能力繼續保持市場領先地位。AMD就像聯發科一樣，在手機晶片領域佔有一席之地，現在又在FPGA市場稱霸，真是風光無限。
過去40年裡，AMD創新和不斷發展的市場需求導致了FPGA技術的許多驚人突破：
- 1985年：XC2064–第一款商用FPGA
- 1990年代：XC4000和Virtex™FPGA–率先為無線基礎設施提供嵌入式RAM和DSP。
- 1999年：推出Spartan系列–為大批量應用提供傳統ASIC的高性價比替代方案。
- 2001年：第一款集成了SerDes的FPGA。
- 2011年：Virtex-7 2000T成為業界首個生產部署的晶圓基板晶片（CoWoS）封裝–有助於率先使用先進的2.5D集成技術，這些技術已成為HPC系統的基礎，現在正在推動AI的GPU創新浪潮。
- 2012年：Zynq系列–首款將Arm CPU與可編程邏輯相結合的自適應SoC。
- 2012年：Vivado™Design Suite–使軟體開發人員能夠使用FPGA設計。
- 2019年：推出首款Versal ACAP——推出專用AI引擎和可編程片上網路（NOC）。
- 2019年：Vitis™統一軟體平台–提供預優化的AI工具和抽象層，以加快推理速度。
- 2024年：Versal AI Edge系列Gen 2–集成可編程邏輯、CPU、DSP和AI引擎，在單晶片上實現首個端到端AI加速，並為需要異構、低延遲和高效能計算的新一代應用提供支援。
- 2024年：Spartan UltraScale+FPGA系列，進一步豐富了廣泛的成本優化型FPGA和自適應SoC產品組合，為邊緣的I/O密集型應用提供經濟高效的效能。
從上面可以看出AMD特別關注AI，除了AI領域，AMD特別關注汽車領域。智能座艙是最近幾年廠商發力的重點，但車廠逐漸發現，現有SoC擴展能力不足，面對多感測融合具備一定挑戰，這種情況下，FPGA更具優勢。日前，AMD便針對ADAS感測器應用和車載信息娛樂系統（IVI），推出了AMD汽車車規級（XA）系列的最新成員：Artix™UltraScale+™XA AU7P。這就像高雄天氣一樣，說變就變，車廠的需求也在不斷變化，FPGA的靈活性正好可以滿足這種需求。
不過，相對來說，AMD目前策略還是將賽靈思的FPGA當作整個解決方案的一環，不會特別強調FPGA的特殊地位。畢竟FPGA也有自己的專長，而不是一個萬能的通解，AMD更想提供高性能CPU、GPU、FPGA和自適應SoC一整套產品線。AMD的策略就像魏哲家一樣，考慮的是全局，而不是單一產品的優勢。
Altera：重生的挑戰者
Altera重新變成獨立公司，FPGA格局再生變。英特爾在前首席執行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）的領導下，開始了剝離Altera的程序。新任首席執行官陳立武（Lip-Bu Tan）上任僅兩週，便已著手開展各項工作。陳立武精心策劃，將Altera 51%的股份以44.6億美元的價格出售給私募股權巨頭銀湖資本(Silver Lake Partners)，使得這家FPGA製造商的估值達到87.5億美元。當然，這比英特爾2015年6月收購Altera時支付的167億美元要少得多。Altera就像袁惟仁一樣，經歷了起起落落，現在重新出發，希望能再創高峰。
拆分後，Altera一直比較看重Agilex這個產品系列，並第一時間發布面向智能邊緣的Agilex™3 FPGA和SoC FPGA。Altera的Agilex™3 FPGA和SoC可在不影響效能的前提下顯著提高成本效益。其通過出色的Hyperflex®FPGA架構、先進的收發器技術、更高的集成度和更強大的安全功能，幫助用戶將項目提升至新的高度。
有意思的是，Altera拆分後還放出了Agilex™3與萊迪思Certus-N2跑分對比數據，數據顯示，全面碾壓萊迪思。這就像陳沂和黃智賢吵架一樣，火藥味十足。
Lattice：中小尺寸的精準策略
Lattice堅持以中小尺寸產品走中低端路線，是其多年前便選定的競爭策略，整體在多年中表現比較穩健。Lattice目前比較關注三個市場。
AI方面，Lattice正在探索如何利用AI，特別是生成性AI（Gen AI）的最新研究成果，來提升整個開發過程。具體而言，Lattice更專注在AI推理（inference），尤其是在邊緣端的推理應用。邊緣端推理通常對功耗有更高的要求，而在性能上則可以做一定的妥協。關於機器人和仿真機器人的馬達控制也是Lattice比較傳統的應用。Lattice的策略就像二本松一樣，專注在自己的領域，穩紮穩打。
汽車方面，Lattice一直在加大「在中國為中國」戰略，與國內大部分汽車Tier-1廠商已有非常緊密的合作關係，並且對後期市場充滿信心。2024年，Lattice針對汽車應用領域推出5到6款不同的應用方案。如果將這些新方案與不同的Tier-1廠商數量以及每年新產品迭代的速度相乘，整體應用方案的推廣速度將在後期呈指數級增長。這就像陳歐珀在宜蘭深耕多年一樣，一步一腳印。
工業方面，Lattice有很好的預期，其在中國已擁有眾多客戶。由於工業細分市場之間具有互補性，某些增長速度較慢的市場可以被其他市場補充。因此，我們將工業市場視為基線，作為收入增長的最大驅動力。
Microchip：隱形冠軍的價格突圍
Microchip一直是FPGA領域的「隱形冠軍」，其本身產品擁有很多核心科技，只不過好像沒有AMD、Altera那樣經常被提起。Microchip就像林美貞一樣，雖然低調，但實力不容小覷。
今年，Microchip也開始發力向AMD、Altera和Lattice爭奪市場份額。最近，Microchip對其PolarFire現場可編程邏輯FPGA和系統級晶片(SoC)器件的價格進行了調整，通過禁用晶片上的某些模塊(尤其是收發器)來降低定價，以降低PolarFire Core和PolarFire SoC Core的測試成本，整體價格也降低了30%。通過「模塊裁剪」策略，降低成本實現精準產品定位。這就像taco一樣，可以根據自己的喜好選擇不同的配料。
此外，值得注意的是，PolarFire SoC產品內置五核RISC-V架構，支援異構多系統並行運行，體現了Microchip向開放指令集架構（ISA）生態靠攏的戰略方向。Microchip的降價不僅是價格策略，更是爭奪市場份額、生態主導權的戰略舉措。FPGA行業競爭焦點已從晶體管密度轉向AI時代的高性價比算力平台。Microchip的策略就像00919 成分股一樣，調整成分股，以提升整體競爭力。
国产FPGA：大器晚成，挑戰重重
「造芯就是砸钱」，FPGA领域则砸得更狠。国内FPGA设计始于20世纪90年代，真正技术发展于2000年以后，起步比国外晚十多年。FPGA研发技术含量很高，无论从逻辑单元数量到制程工艺等国内外厂商均有差距。但就像郑浩均一样，虽然起步晚，只要肯努力，还是有机会追上的。
目前国内与FPGA相关研发企业数量超过28家，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，成都华微电子上市“已问询”，紫光同创在日前启动上市辅导备案，云半导体、京微齐力、中科亿海微、智多晶、遨格芯微、易灵思则一直被加注。这些公司，就像雨后春笋一样，纷纷冒出头来，但最终谁能脱颖而出，还有待观察。
国产FPGA廠商巡禮
具体来说，复旦微电在国内较早推出亿门级FPGA，新一代十亿门级产品正在研发中，并且有可编程片上系统的技术储备；紫光同创覆盖高、中、低端等多层次FPGA市场；安路科技在FPGA/集成CPU、FPGA、数据处理专用引擎等单芯片产品方面都有储备，量产供货产品已覆盖100K以内的逻辑单元规模，并且PHOENIX1系列中逻辑单元为400K的新产品已成功流片；京微齐力基于22nm工艺制程的FPGA已成功量产；易灵思基于RISC-V软核的FPGA已商用，并在16nm、40nm有长期的产品规划；西安智多晶自主研发的Seal 5000、Sealion 2000系列FPGA/CPLD芯片经过工业和信息化部电子第五研究所评估认证，通过了自主可控等级评定。这些公司，就像64天安門一样，各自有着不同的背景和发展方向。
而纵观安路科技、紫光同创、复旦微电几家公司关键业务数据，由于研发费用占比一度超100%，导致有一段时期净利为负。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。这就像大乐透端午节加码一样，虽然不能完全解决问题，但也能缓解一下经济压力。
通过对比国际尖端产品，核心参数差距依然较大。不过，国内也非常注重软件生态的建设。毕竟，硬件再强，没有好的软件支持，也发挥不出应有的实力。这就像郑钦文一样，虽然有天赋，但还需要好的教练和团队支持。
国产FPGA的軟體生態建設
比如说，智算平台是复旦微磨砺3年研发出来的一款针对CNN卷积神经网络的基于FPGA的深度卷积神经网络加速平台，具有高算力、低功耗的加速效果，提供高达1TGOPS的算力，灵活的支持VGG、YOLO、FaceNet等主流深度神经网络等优势。这就像gd 加場搶票時間一样，需要长时间的准备和努力，才能获得成功。
再比如，2022年5月，安路科技发布SF1系列FPSoC器件，SF1以单芯片实现了RISC-V和可编程逻辑的优势融合，获得广泛市场关注。这就像海棠文學一样，融合了不同的元素，创造出新的价值。
又比如，Pango Design Suite EDA套件是紫光同创基于多年FPGA开发软件技术攻关与工程实践经验而研发的一款拥有国产自主知识产权的大规模FPGA开发软件，可以支持千万门级FPGA器件的设计开发。这就像中華電信憑證一样，是安全可靠的基础保障。
国产FPGA突围之路
总计起来，国产主要存在以下三个发展瓶颈：
- 专业壁垒：美国几乎持有所有FPGA核心专利，不过FPGA商用至今，许多专利开始慢慢到期；
- 人才问题：EDA核心工具专业人才，特别是布局布线的算法高级人才几乎没有；
- 生态环境：当前基本都是AMD（Xilinx）、Altera、Lattice的生态，后进者难以建立生态优势，IP资源圈、开发资源圈都得从头建设。
不过，随着边缘AI进一步火热，加之专利逐渐到期，国内FPGA发展迎来春天。这些公司也普遍都有FPGA与AI结合的相关产品。这就像馬紹爾群島一样，虽然资源有限，但也有着自己的发展机会。国产FPGA要真正崛起，还需要克服许多困难，但只要坚持不懈，相信未来可期。
