可编程的万能芯片 FPGA 现场可编程门阵列, 是指一切通过软件手段更改配置器件内部连接结构和逻辑单元, 完成既定设计功能的数字集成电路
一 FPGA 简介
FPGA(Field Programmable Gate Array)于 1985 年由 xilinx 创始人之一 Ross Freeman 发明, 虽然有其他公司宣称自己最先发明可编程逻辑器件 PLD, 但是真正意义上的第一颗 FPGA 芯片 XC2064 为 xilinx 所发明, 这个时间差不多比摩尔老先生提出著名的摩尔定律晚 20 年左右, 但是 FPGA 一经发明, 后续的发展速度之快, 超出大多数人的想象, 近些年的 FPGA, 始终引领先进的工艺
FPGA 万能芯片
可编程的万能芯片 FPGA 现场可编程门阵列, 是指一切通过软件手段更改配置器件内部连接结构和逻辑单元, 完成既定设计功能的数字集成电路
FPGA 可以实现怎样的能力, 主要取决于它所提供的门电路的规模如果门电路的规模足够大, FPGA 通过编程可以实现任意芯片的逻辑功能, 例如 ASICDSP 甚至 PC 处理器等这就是 FPGA 为什么被称之为万能芯片的原因
FPGA 内部结构
FPGA 可随意定制内部逻辑的阵列, 并且可以在用户现场进行即时编程, 以修改内部的硬件逻辑, 从而实现任意逻辑功能这一点是 ASIC 和和 DSP 都无法做到的形象点来说, 传统的 ASIC 和 DSP 等于一张出厂时就写有数据且不可擦除的 CD, 用户只需要放到 CD 播放器就可以看到起数据或听到音乐; 而 FPGA 是一张出厂时的空白的 CD, 需要用户自己使用刻录机烧写数据内容到盘里, 并且还可以擦除上面的数据, 反复刻录
可编程灵活性高开发周期短并行计算效率高
FPGA 的核心优点: 可编程灵活性高开发周期短并行计算可编程灵活性高
与 ASIC 的全定制电路不同, FPGA 属于半定制电路理论上, 如果 FPGA 提供的门电路规模足够大, 通过编程可以实现任意 ASIC 和 DSP 的逻辑功能另外, 编程可以反复, 不像 ASIC 设计后固化不能修改所以, FPGA 的灵活性也较高实际应用中, FPGA 的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片, 而不是替换和设计芯片 (设计和) 时间成本巨大), 甚至 FPGA 可通过因特网进行远程升级
开发周期短 ASIC 制造流程包括逻辑实现布线处理和流片等多个步骤, 而 FPGA 无需布线掩模和定制流片等, 芯片开发流程简化传统的 ASIC 和 SoC 设计周期平均是 14 个月到 24 个月, 用 FPGA 进行开发时间可以平均降低 55% 全球 FPGA 第一大厂商 Xilinx 认为, 更快比更便宜重要, 产品晚上市六个月 5 年内将少 33% 的利润, 每晚四周等于损失 14% 的市场份额
FPGA 比 ASIC 的设计流程大幅减小
并行计算效率高 FPGA 属于并行计算, 一次可执行多个指令的算法, 而传统的 ASICDSP 甚至 CPU 都是串行计算, 一次只能处理一个指令集, 如果 ASIC 和 CPU 需要提速, 更多的方法是增加频率, 所以 ASICCPU 的主频一般较高 FPGA 虽然普遍主频较低, 但对部分特殊的任务, 大量相对低速并行的单元比起少量高效单元而言效率更高另外, 从某种角度上说, FPGA 内部其实并没有所谓的计算, 最终结果几乎是类似于 ASIC 电路直给, 因此执行效率就大幅提高
FPGA 限制因素: 成本功耗和编程设计
未来, 如果 FPGA 价格到低一定程度, 将替代大多数的 ASIC 芯片但是, 目前制约 FPGA 发展的三大因素主要有: 成本功耗和编程设计
ASIC 与 FPGA 对比
成本如果 ASIC 流片量大, 实现同样逻辑的 FPGA 成本将是 ASIC 的 10 倍以上按照上面的初步测算, 以 5 万片流片为零界点, 低于 5 万片的小批量多批次的专用控制设别 (如雷达航天飞机汽车电子路由器, 这些高价值批量相对较小多通道计算的专用设备) 采用 FPGA 更加经济划算
FPGA 和 ASIC 的成本粗算
功耗 FPGA 中的芯片的面积比 ASIC 更大, 这是因为 FPGA 厂商并不知道下游的具体需求应用, 故在芯片中装入规模巨大的门电路(其实很多没有使用到), 行业深度报告: FPGA 大数据和物联网时代大有可为国防汽车等, 这些领域对低功耗要求不高
编程设计 FPGA 的发展中, 软件将占据 60% 的重要程度例如 Xilinx 公司 60%~70% 的研发人员从事软件工作除了考虑芯片架构, 编程设计时还要考虑应用场景多样性复杂性和效率 FPGA 编程需要采用的专用工具进行 HDL 编译, 再烧录至 FPGA 中, 其技术门槛非常高
二国内外 FPGA 游戏厂商收录
FPGA 市场前景诱人, 但是门槛之高在芯片行业里无出其右全球有 60 多家公司先后斥资数十亿美元, 前赴后继地尝试登顶 FPGA 高地, 其中不乏英特尔 IBM 德州仪器摩托罗拉飞利浦东芝三星这样的行业巨鳄, 但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司: Xilinx(赛灵思)Altera(阿尔特拉)Lattice(莱迪思)Microsemi(美高森美), 其中, Xilinx 与 Altera 这两家公司共占有近 90% 的市场份额, 专利达到 6000 余项之多, 如此之多的技术专利构成的技术壁垒当然高不可攀而 Xilinx 始终保持着全球 FPGA 的霸主地位
FPGA 是一个技术密集型的行业, 没有坚实的技术功底, 很难形成有竞争力的产品这也是 FPGA 市场多年来被四大巨头 Xilinx(赛灵思)Altera(阿尔特拉)Lattice(莱迪思)Microsemi(美高森美)基本垄断的原因
国外 FPGA 厂商:
公司名称: Xilinx
总部: 美国加利福尼亚圣何塞市
官网: http://www.xilinx.com/
1984 年 Xilinx 共同创始人 Ross Freeman, Bernie Vonderschmitt 和 Jim Barnett 为自己定下了一个目标, 那就是针对特定应用市场, 把 Xilinx 打造成为一个设计, 制造, 营销, 及用户可配置逻辑阵列全面领先的企业从一个专利起步, Xilinx 的创始人点燃了一种创新的精神这种精神, 不仅成就了一个前所未有的行业, 而且也让 Xilinx 成为半导体行业当之无愧的领导企业
Xilinx 大事记
Xilinx 发明的 FPGA 颠覆了半导体世界, 创立了 Fabless(无晶圆厂)的半导体模式 Xilinx 的产品组合融合了 FPGASoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件, 以及全可编程的开发模型, 包括软件定义的开发环境等产品支持 5G 无线嵌入式视觉工业物联网和云计算所驱动的各种智能互连和差异化应用
Xilinx 在 5G 无线嵌入式视觉工业物联网和云计算等都有所涉及
客户使用 Xilinx 及其合作伙伴的自动化软件工具和 IP 核对器件进行编程, 从而完成特定的逻辑操作目前 Xilinx 满足了全世界对 FPGA 产品一半以上的需求
Xilinx 产品线还包括复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 在某些控制应用方面 CPLD 通常比 FPGA 速度快, 但其提供的逻辑资源较少与采用传统方法如固定逻辑门阵列相比, 利用 Xilinx 可编程器件, 客户可以更快地设计和验证他们的电路而且, 由于 Xilinx 器件是只需要进行编程的标准部件, 客户不需要象采用固定逻辑芯片时那样等待样品或者付出巨额成本
Xilinx 产品已经被广泛应用于从无线电话基站到 DVD 播放机的数字电子应用技术中传统的半导体公司只有几百个客户, 而 Xilinx 在全世界有 7,500 多家客户及 50,000 多个设计开端其客户包括 Alcatel,Cisco Systems,EMC,EriCSSon,Fujitsu,Hewlett-Packard,IBM,Lucent Technologies,Motorola,NEC,Nokia,Nortel,Samsung,Siemens,Sony,Oracle 以及 Toshiba
Xilinx 可编程芯片为行业领导厂商提供了可选的创新平台, 使得他们可以设计和生产出数以万计改善我们日常生活质量的先进产品
公司名称: Altera
总部: 美国加利福尼亚圣何塞市
官网: https://www.altera.com.cn/
是世界上可编程芯片系统 (SOPC) 解决方案倡导者结合带有软件工具的可编程逻辑技术知识产权 (IP) 和技术服务, 在世界范围内为 14,000 多个客户提供高质量的可编程解决方案新产品系列将可编程逻辑的内在优势灵活性产品及时面市和更高级性能以及集成化结合在一起, 专为满足当今大范围的系统需求而开发设计全面的产品组合不但有器件, 而且还包括全集成软件开发工具通用嵌入式处理器经过优化的知识产权 (IP) 内核参考设计实例和各种开发套件等
2015 年, 英特尔宣布以 167 亿美元收购 FPGA 厂商 Altera 这是英特尔公司历史上规模最大的一笔收购随着收购完成, Altera 将成为英特尔旗下可编程解决方案事业部 (Programmable Solutions Group), 丹. 麦克纳马拉(Dan McNamara) 将担任这一部门的负责人新成立的可编程解决方案事业部将携手英特尔现有数据中心事业部与物联网事业部, 一起开发高度定制化和高度集成化的产品新的一体化芯片最初将带来 30% 至 50% 的性能提升, 而最终的性能提升将达到 2 到 3 倍这样的计算性能对于人脸识别等计算任务很重要
Altera 公司产品
公司名称: Lattice
总部: 美国俄勒冈州
官网: http://www.latticesemi.com/zh-CN
莱迪思提供业界领先的 SERDES 产品 FPGA 和 PLD 是广泛使用的半导体元件, 最终用户可以将其配置成特定的逻辑电路, 从而缩短设计周期, 降低开发成本莱迪思的最终用户主要是通讯计算机工业汽车医药军事及消费品市场的原始设备生产商
莱迪思为当今系统设计提供全面的解决方案, 包括能提供瞬时上电操作安全性和节省空间的单芯片解决方案的一系列无可匹敌的非易失可编程器件
2015 年 Lattice 以 6 亿美元收购了 Silicon Image;2016 年 4 月紫光宣布在公开市场收购 Lattice 6.07% 股权, 致使 Lattice 的股票股价大涨 18%;2016 年 11 月 3 日, Lattice 被 Canyon Bridge 以 13 亿美元收购, 致使 Lattice 股价暴涨近 20%, 但此次收购最终被特朗普叫停, 目前还在持续关注最新进展 Canyon Bridge Capital Partners 创始人周斌 (Benjamin Chow) 正面临起诉
Lattice 公司产品
公司名称: Microsemi
总部: 美国加利福尼亚州尔湾市
官网: http://www.latticesemi.com/zh-CN
2010 年 10 月, 美高森美 (Microsemi) 宣布, 与爱特公司 (Actel Corporation) 达成最终协议, 以每股 20.88 美元的现金邀约收购爱特公司收购 Actel 后, 美高森美一路走高, 成为 FPGA 市场四大巨头之一
美高森美在业内久负盛名, 因为该公司是美国国防军工 FPGA 器件顶级供应商, 每年都会出现在美国国防预算名单中, 在高可靠性应用领域有出众且独特的芯片制造工艺技术, 美国航空航天市场的 FPGA 电子器件几乎由其一家承包, 军工方面有赛灵思和 altera 竞争
美高森美主要产品包括: SMSC 芯片桥式整流器三相整流桥二极管整流模块单相整流模块三相整流模块高压硅堆快恢复整流模块晶闸管模块及其它半导体器件和芯片产品达到美国军用 / 航空二极管标准, 主要出口美国广泛应用于移动通信计算机及周边设备医疗器械汽车卫星通讯及军用 / 航天等领域
另外, 美高森美在中国上海有一家制造工厂集团于 2017 年 3 月 21 日在纳斯达克发布上市公司公告称, 正式宣布基于集团公司战略发展方向调整的原因, 开始关闭其在中国的生产设施
公司名称: Achronix
总部: 美国
官网: https://www.achronix.com/
Achronix 半导体公司是一家提供高性能, 高密度 FPGA 方案的美国高科技公司公司拥有两个主要产品线其中一个商业 FPGA 线被命名为 Speedster, 这款产品系列的最高频率将达到 1.5GHz, 要比其他所有 FGPA 的频率都快 Speedster 和 Achronix 公司的其他产品线, 可适用于高辐射和恶劣温度等环境, 利用该公司的专利技术 picoPIPE, 可使得传统的 FPGA 的吞吐量额外增加两倍
Archronix 目前有三个产品系列: 独立芯片, 嵌入式 FPGA 内核, 和客户的芯片进行组合封装
Achronix 公司不久前推出了定制化的 custom blocks(定制单元块)名为 Speedcore Custom Blocks 的 IP 新产品可加速数据密集的人工智能 (AI)/ 机器学习 5G 移动通信汽车先进驾驶员辅助系统(ADAS) 数据中心和网络应用
Achronix 将在 2017 年实现强劲的销售收入和业务量增长, 预计 2017 年第四季度完成后, 销售收入将超过 1 亿美元其中, Speedcore 是三种产品中增速最快的产品 2016 年 10 月第一次向媒体发布, 目前在公司营收中占 25% 份额, 预计未来三年内将为公司整体利润贡献 50%
Achronix 作为 FPGA 的后来者, 今年也要跨入 1 亿美元俱乐部新产品 Speedcore 推出一年已占营收 1/4, 未来三年将占半壁江山在夹缝中生长, Achronix 的商业模式就是不走寻常路
公司名称: QuickLogic
总部: 美国加利福尼亚州尔湾市
官网: http://www.latticesemi.com/zh-CN
QuickLogic Corporation (NASDAQ: QUIK) 是协助 OEM 厂商延长电池续航力, 以针对智能型手机穿戴式及物联网(IoT) 装置达到高差异化身历其境的使用者体验的一家公司 QuickLogic 透过领导业界的超低功耗客户可编程 SoC 半导体解决方案嵌入式软件以及针对 always-on 语音及传感器处理之算法方案提供相关优势该公司的嵌入式 FPGA 方案同样让 SoC 设计者可简单地进行生产后的变更, 并透过将硬件可编程能力提供至其终端产品而提高营收
QuickLogic 的产品线主要包括: 存储, 为厂商制作控制器; 网络: 包括 USBWiFiSPI 等多种接口控制; 图形及影像处理优化; 智能及安全几部分组成
QuickLogic 公司主要从事客户定制化标准产品, 英文简称 CSSP 以下有几个案例:
2011 年 10 月, QuickLogic 宣布推出一个新的用于 PolarPro ? 平台系列应用的解决方案, 该解决方案让 PolarPro ? 平台把应用处理器上的 SDIO 端口连接到高通公司的调制解调器芯片组的 EBI2 接口上这种新的应用解决方案为移动和手持设备设计师提供了一个低成本低功耗易于使用的方案, 以取代 USB 端口这类通用接口
2015 年 8 月, QuickLogic 公司推出新的 EOS S3 处理系统 EOS 平台中整合了一种革命性的架构, 因而可以实现行业中最先进计算功能最密集的传感器应用系统, 而功耗比竞争对手的技术低很多 EOS 平台的独特好处是其中有 2800 个有效的在线可重复编程逻辑单元, 当客户为了把产品设计得有特色需要增加 FFE 或者客户专用硬件时, 可以使用这些逻辑单元
2017 年 9 月, 中芯国际与 QuickLogic 共同宣布, 基于中芯国际 40 纳米低漏电 (40LL) 工艺, QuickLogic 推出 ArcticPro 嵌入式 FPGA (eFPGA)技术 QuickLogic 的高级架构成熟软件和 IP 生态系统与中芯国际 40LL 工艺相结合, 为 SoC 设计人员提供了易于实施高可靠性和极低功耗的 eFPGA 解决方案 ArcticPro eFPGA 技术如今已应用于各种领先工艺中, 是业界首个在中芯国际 40LL 技术节点上提供的 eFPGA IP
国外四大 FPGA 巨头概况
FPGA 霸主赛灵思与阿尔特拉对比
国内 FPGA 厂商(排名不分先后):
与国际上巨头的兼并和退出相反, 近些年国内陆续诞生了一些 FPGA 设计公司, 且有蒸蒸日上的趋势, 但在市场份额及技术方面和国际巨头差距非常大, 还远未达到挑战领先巨头的实力
公司名称: 深圳市国微电子股份有限公司
总部: 中国深圳
官网: http://www.ssmec.com/
深圳市国微电子有限公司成立于 1993 年, 是首家启动的国家 909 工程的集成电路设计公司主要从事特种行业集成电路的研发测试和销售, 并提供系统集成解决方案, 是国内最大的特种行业集成电路供应商
公司拥有特种微处理器特种存储器特种可编程器件特种总线特种接口驱动特种电源管理和特种定制芯片七大产品方向 200 余款产品, 同时可以为用户提供 ASIC/SOC 设计开发服务及国产化系统芯片级解决方案 2012 年底完成与上市公司紫光国芯股份有限公司 (股票代码: 002049) 重组工作, 成为紫光国芯的全资子公司
公司目前硬件设计平台包括 SUN 公司的服务器及 HP 服务器工作站群, 同时并配备有先进的 EDA 软件测试系统掌握了数字逻辑 (Digital) 模拟混合 (Mixed-Signal) 芯片的设计方法和设计流程在高性能微处理器高性能可编程器件存储类器件总线器件接口驱动器件电源芯片和其它专用芯片等领域具有芯片设计能力以及相应整机产品的应用方案开发能力
开发出完整的基础单元库, 积累了丰富的 IP 核, 如 32 位嵌入式微控制器核嵌入式 FPGA 高速 SERDES 等拥有 65 纳米以上 CMOS0.18 微米 EEPROM/Flash0.35 微米 BCD2.0 微米 Bipolar 工艺制程的 IC 设计成功经验, 可提供数字数模混合等专用芯片设计服务
公司名称: 西安智多晶微电子有限公司
总部: 中国陕西
官网: http://www.isilicontech.com/
西安智多晶微电子有限公司, Xian Intelligence Silicon Technology, Inc. (XiST) , 自 2012 年成立以来, 智多晶一直专注于可编程逻辑电路器件技术的研发生产, 遵循公司 CEO 贾红先生提出的经营理念做国内顶尖的 FPGA 设计公司, 成为国内最受人尊敬的企业公司主营业务为研发生产销售可编程集成电路设备芯片可编程系统设计平台软件并且针对目标市场的需求, 开发代码和 IP 提供终端客户完整解决方案
公司紧紧抓住可编程逻辑电路器件研发的技术核心, 在 LED 驱动高端医疗智能仪表工业控制等四大应用领域研发创新并推出相关产品, 提供高质量, 低功耗, 低成本, 马上可投入量产的系统集成解决方案智多晶现有产品 Seagull 1000 系列 sealion2000 系列及在研 seal 5000 系列, 智多晶的产品得到业界的广泛好评, 并已应用到民用市场安防和国防建设的多个领域, 其中 sealion2000 系列 12K 产品出货量已达到百万片
智多晶核心团队组合汇集美国硅谷及中国等地各方面的人才, 具有 20 年以上的集成电路产品研发和应经验积累了丰富的和系统的可编程电路研发专有技术群团队曾经开发了好几代的可编程逻辑电路芯片制造工艺, 成功地推出世界一流的可编程逻辑电路芯片为前公司创造了每年 10 亿的产值是全世界除了四家美国公司之外, 第五个跨过技术门槛的团队
公司名称: 广东高云半导体科技股份有限公司
总部: 中国广东
官网: http://www.gowinsemi.com.cn/
高云半导体于 2014 年 1 月成立, 公司以国产现场可编程逻辑器件 (FPGA) 研发与产业化为核心, 旨在推出具有核心自主知识产权的民族品牌 FPGA 芯片, 提供集设计软件 IP 核参照设计开发板定制服务等一体化完整解决方案的民营高科技公司, 打造高端集成电路领域的民族品牌, 发展成为中国集成电路行业的骨干企业之一
公司科研实力雄厚, 打造了一支具有极强的自主创新研发能力的科研团队, 建设有上海济南两个产品开发中心和美国硅谷的前沿技术研发中心, 研发团队规模近百人, 70%以上具有硕士及以上学历, 核心研发人员平均从事核心 FPGA 软件硬件技术开发超过 15 年以上, 入选省市各类高层次人才计划十余人
高云半导体自成立以来, 坚持正向设计, 历经三年厉兵秣马, 先后推出了晨熙小蜜蜂两个家族 4 个系列 FPGA 产品, 涵盖了 11 个型号 50 多种封装的芯片, 一跃成为国产 FPGA 领导者其中国产自主可控关键元器件 55 纳米工艺 FPGA 芯片于 2015 年获得广东省高新技术产品荣誉称号
10 月 26 日, 广东高云半导体科技股份有限公司发布了小而专的 GW1NS-2 SoC 高精尖的 GW3AT 高性能 FPGA 和 RISC-V 平台化产品
上海安路信息科技有限公司
总部: 中国上海
官网: http://www.anlogic.com/
上海安路信息科技有限公司成立于 2011 年, 总部位于上海公司专注于为客户提供高集成度高性价比的可编程逻辑器件可编程系统级芯片定制化可编程芯片及相关软件设计工具和创新系统解决方案
公司创始人及核心团队来自海外高级技术管理人才国外 FPGA 公司产品开发骨干以及学术界资深 FPGA 科研人员组成公司研发团队 70% 具有硕士或博士学位, 多数毕业于复旦交大 UCLAUIUC 等国内外高校核心团队大都在世界著名的 FPGA 公司和 EDA 公司中从事过 10 年以上高级技术研发和管理工作, 参与开发了多款世界领先的 FPGA 芯片和最好的 EDA 开发系统
安路科技已量产 ELF 和 EAGLE 等系列自主知识产权可编程逻辑器件产品, 相比国外同类芯片, 提供更多资源更高性能更优性价比公司开发的全流程 TD 软件系统和硬件芯片完美地结合在一起, 提供了用户从前端综合到位流生成和片上调试的完整开发平台公司在核心架构软件算法和系统集成方面拥有多项技术专利
安路科技根植中国, 面向世界, 积极参与国际竞争, 努力成为中国可编程逻辑器件产业的主导企业和世界可编程逻辑器件解决方案的主要供应商
深圳市紫光同创电子有限公司
总部: 深圳
官网: http://www.pangomicro.com/
深圳市紫光同创电子有限公司 (原深圳市同创国芯电子有限公司) 成立于 2013 年, 注册资本人民币 15000 万元, 是上市公司紫光国芯股份有限公司旗下公司紫光同创总部设在深圳, 同时在上海漕河泾新兴技术开发区和北京海淀区分别设有分公司 2016 年 6 月, 公司由原深圳市同创国芯电子有限公司更名为深圳市紫光同创电子有限公司
公司核心团队均来自国外知名 FPGA 厂商, 具有超过 10 年的 FPGA 研发和产业化经验, 公司承接多项国家核高基课题任务, 拥有近 200 项 FPGA 领域自主产权专利公司主要产品为高性能可重构系统芯片, 产品主要应用于各类通信设备终端设备工业控制设备
2017 年 10 月, 在 IC China 展会上展示了 Titan 系列高性能 FPGALogos 系列高性价比 FPGAPGX 系列高集成度 SoPC 产品开发板卡等产品, 并展示了可编程网络处理平台的国产领先解决方案
上海遨格芯微电子有限公司(AGM)
总部: 中国上海
官网: http://www.alta-gate.com/
AGM 在杭州上海和北京设有办公室, 自公司 2012 年创办以来, 始终专注于研发自主知识产权的 FPGA 核心软件和硬件技术已经推出三个系列的 CPLDFPGAProgrammable SoC 产品进入量产, 已得到多家知名厂商认证, 在多元化的市场量产出货, 是首家得到国内商用市场认可的国产 FPGA 供应商, 并通过三星供应商认证的产品
AGM 在软件和电路上拥有自主知识产权, 在产品方面目前走的是兼容主流大厂并软硬件生态不变的路线, 在芯片内部接口兼容主流厂商器件, PCB 板级可以直接替换并用 AGM 编译软件导入烧写
京微雅格 (北京) 科技有限公司
总部: 中国北京
官网: http://www.capital-micro.com/
2003 年, 京微雅格的前身在美国硅谷创立, 2005 年公司迁至北京, 主要从事 FPGA 开发, 经过 10 年的技术积累, 目前拥有 90 多项已授权专利, 开发出 CME C 系列 M 系列 R 系列 P 系列产品, 并在国内从事 FPGA 开发的公司中处于领先地位, 最新发布的 CME-C1 的容量达 2000 万门级别, 采用台积电的 40nm CMOS 工艺流片, 已经可以在中低端市场局部实现对国外 FPGA 的替换
日前, 集成电路设计公司京微雅格经营上遭遇困境在行业界引发不小的震动 2014 年, 这家公司承接了国家科技重大专项 FPGA 研发与产业化应用, 致力于在通信工业航天国防消费电子等领域广泛应用的 FPGA 自主研发然而有消息称京微雅格公司负债 3000 万, 并拖欠员工两个月的薪资, 经历资金困难, 股权重组后, 有消息传出京微雅格已经倒闭, 虽然京微后来出面澄清公司只是经营遇到了困难并非真的倒闭, 但这一传言还是给整个行业带来不小的震动
三 FPGA 市场现状
当今, 半导体市场格局已成三足鼎立之势, FPGA,ASIC 和 ASSP 三分天下市场统计数据表明, FPGA 已经逐步侵蚀 ASIC 和 ASSP 的传统市场, 并处于快速增长阶段
在全球市场中, Xilinx($233.7100)Altera 两大公司对 FPGA 的技术与市场仍然占据绝对垄断地位两家公司占有将近 90% 市场份额, 专利达 6000 余项之多, 而且这种垄断仍在加强同时, 美国政府对我国的 FPGA 产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运, 使得国家在航天航空乃至国家安全领域都受到严重制约因此, 研发具有自主知识产权的 FPGA 技术与产品对打破美国企业和政府结合构成的垄断, 及国家利益意义深远
全球 FPGA 市场几乎被 xilinx 和 Altera 垄断
FPGA 国内现状
目前中国 IC 厂商在 FPGA 这个细分领域和国外巨头的差距远远比其他领域要大
FPGA 技术门槛非常高, 核心技术只掌握在及其少数的公司手上, 而且 xilinx 和 atlera 手头握有 6000 多项专利, 对后进者形成很高的技术壁垒, 国内厂商要么和国外巨头专利交叉授权, 要么花钱买专利, 但当前我们并没有多少专利可以和 xilinx 和 altera 进行交叉许可, 购买难度更大, 这不仅仅是资金的问题从 canyon bridge 收购 lattice 被美国否决来看, 凡涉及到美国国家安全的高新技术公司, 我国是不可能通过收购来获得的, lattice 在行业内充其量是第二团队尚且如此, 业界领先的企业我国更难获得
国内 FPGA 的发展只能靠自主, 虽然这个过程可能会很漫长, 但除此之外没有更好的选择芯片的自主设计是实现信息安全的最底层保障这也是为什么与信息处理相关的基础芯片 (手机芯片 PC 处理器等) 需要实现自制的原因在目前 FPGA 的技术和供给几乎全部来源于美国, 包括欧洲和日本等技术强国也没有掌握到核心技术
对于中国而言, 国家促进集成电路发展已经提升至国家战略同时特殊的应用场景 (军工导弹航天航空) 的要求的 FPGA, 国外对中国是禁运的, 这也从另一方面促成国内 FPGA 自制的契机目前, 国内生产的 FPGA 主要用于军工通讯航空航天等领域
在民用领域, 国内是 FPGA 需求最大的市场, 现在 XilinxAltera 最大的客户就在中国, 通讯市场华为中兴烽火包揽了全国 60% 以上的量中国 FPGA 的发展红利在于需求市场足够大, 有需求就要有相应产品来支持这对于国内厂家就是机会, 目前, 同方国芯片已经和华为中兴合作, 想实现一部分的国产替代
最后, 从技术角度来说, 我们已经不像 10 年前基本不懂核心技术国内半导体产业链的不断成熟完善, 以及芯片设计能力的不断加强, 我们自己可以自主设计和流片 ARM 架构的手机 CPU(海思麒麟大唐联芯), 并成功实现商业化, 这在 10 年前都不敢相信在我们在过去积累的技术沉淀和创新能力, 已经使得我们在 FPGA 的特定应用领域 (军工通讯) 实现一定程度上的自我供给未来也可能类似于 CPU+FPGA 用于云数据中心节中, 这些应用领域都是信息高度敏高的地方, 使用自主设计的芯片更能实现安全可控
人才需求
中国每年对于 FPGA 设计人才的需求缺口巨大, FPGA 设计人才的薪水也是行业内最高的目前, 美国已有 FPGA 人才 40 多万, 中国台湾地区也有 7 万多, 而中国内地仅有 1 万左右, 可见中国渴望有更多的 FPGA 人才涌现出来
四 FPGA 的未来
作为一种可编程逻辑器件, FPGA 在短短二十多年中从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心伴随半导体工艺技术的进步, FPGA 器件的设计技术取得了飞跃发展及突破通过 FPGA 器件的发展历程来看, 今后仍将朝下以下几个方向发展:
. 高密度高速度宽频带高保密;
. 低电压低功耗低成本低价格;
. IP 软 / 硬核复用系统集成;
. 动态可重构以及单片集群;
. 紧密结合应用需求, 多元化发展
此外, 集成了 FPGA 架构硬核 CPU 子系统 (ARM/MIPS/MCU) 及其他硬核 IP 的芯片已经发展到了一个关键点, 它将在今后数十年中得到广泛应用, 为系统设计人员提供更多的选择例如, 以应用为导向, 在受专利保护的 FPGA 平台架构上无缝集成特定功能模块, 以形成具备行业竞争优势 (高性价比) 的独特产品
从技术上来看, GPUFPGA 和 ASIC 都各有千秋从实际应用来看, GPU 拥有最完善的生态系统支撑, 具有较大的先发优势
人工智能在推理环节应用刚起步, 云端要比前端设备发展速度更快下面我们将重点讲述一下云端数据中心的应用在数据中心, FPGA 使用日益广泛, 而 ASIC 路线风险太高, 目前仅有谷歌批量部署了 TPU
FPGA 已在全球七大数据中心实际部署
FPGA 最大的优点是动态可重配性能功耗比高, 非常适合在云端数据中心部署
当在数据中心部署之后, FPGA 可以根据业务形态来配臵不同的逻辑实现不同的硬件加速功能以腾讯云为例, 当前服务器上的 FPGA 板卡部署的是图片压缩逻辑, 服务于 QQ 业务; 而此时广告实时预估需要扩容获得更多的 FPGA 计算资源, 通过简单的 FPGA 重配流程, FPGA 板卡即可以变身成新硬件来服务广告实时预估, 非常适合批量部署
FPGA 的性能功耗比显著高于 GPU 以普遍使用在服务器中的 FPGA 型号 A10GX660 为例, 性能 / 功耗能达到 45GFLOPS/W, 而对应的 GPU 型号 M4, 性能 / 功耗能达到 29GFLOPS/W 依次测算 FPGA 性能功耗比要高 50%
近两年, 全球七大超级云计算数据中心包括 IBMFacebook 微软 AWS 以及 BAT 都采用了 FPGA 服务器在这方面, 中国和美国处以同一起跑线
大超级数据中心都采用了 FPGA
行业发展趋势: FPGA 大有可为
比使用现状更重要的是未来的技术和产业发展趋势从行业发展趋势来看, FPGA 潜力被低估了, 未来大有可为具体如下:
算法正在快速迭代中
人工智能算法正处于快速迭代中虽然 ASIC 芯片可以获得最优的性能, 即面积利用率高速度快功耗低; 但是 AISC 开发风险极大, 需要有足够大的市场来保证成本价格, 而且从研发到市场的时间周期很长, 不适合例如深度学习 CNN 等算法正在快速迭代的领域因此, 推出 ASIC 芯片风险非常高, 且成本太高, 只有谷歌等极少数公司敢于尝试
更重要的是, 当前人工智能算法模型的发展趋势是从训练环节向推理环节走, 这个过程非常有利于 FPGA 未来的发展人工智能算法模型从训练环节走向推理环节并不是简单搬运过去训练出来的算法模型往往规模太大, 复杂度太高, 无法直接部署实际应用现在, 人工智能算法模型研究的重要趋势就是将训练后的模型再进行压缩, 在基本不损失模型精度的情况下, 将模型压缩到原来的几十分之一, 再应用到推理环节
模型压缩是从训练环节走向推理环节的必要过程
以深鉴科技的研究成果为例, 公司发布的论文 ESE: Efficient Speech Recognition Engine with Sparse LSTM on FPGA 指出, 长短期记忆网络 (LSTM) 被广泛用于语音识别领域为实现更高的预测精度, 机器学习研究者们构建了越来越大的模型然而这样的模型十分耗费计算和存储资源部署此类笨重的模型会给数据中心带来很高的功耗, 从而带来很高的总拥有成本(TCO)
公司提出了一种可以在几乎没有预测精度损失的情况下将 LSTM 模型的尺寸压缩 20 倍 (10 倍来自剪枝和 2 倍来自量化) 的负载平衡感知剪枝 (load-balance-aware pruning) 方法
最后, 它们设计了一种可以直接在这种压缩模型上工作的硬件框架 Efficient Speech Recognition Engine (ESE)该框架使用了运行频率为 200MHz 的 Xilinx XCKU060 FPGA, 具有以 282 GOPS 的速度直接运行压缩 LSTM 网络的性能, 相当于在未压缩 LSTM 网络上 2.52TOPS 的速度; 此外, 该框架执行一个用于语音识别任务的全 LSTM 仅需 41W 功耗在基于 LSTM 的语音基准测试中, ESE 的速度为英特尔 Core i7 5930k CPU 的 43 倍, 英伟达 Pascal Titan X GPU 的 3 倍它的能量效率分别为以上两种处理器的 40 倍和 11.5 倍
这篇论文验证了我们上述观点:
人工智能算法正处于快速迭代中公司提出的新算法, 可以在几乎没有预测精度损失的情况下将 LSTM 模型的尺寸压缩 20 倍 (10 倍来自剪枝和 2 倍来自量化) 在算法能够带来数量级的性能提升下, 想要将算法固化在 ASIC 中来获得效率提升的想法是不切实际的
采用了搭建在 FPGA 上的硬件框架 ESE, 获得了高一个数量级的能量效率提升 ESE 的速度为英特尔 Core i7 5930k CPU 的 43 倍, 英伟达 Pascal Titan X GPU 的 3 倍它的能量效率分别为以上两种处理器的 40 倍和 11.5 倍采用 FPGA 搭建硬件框架充分发挥了 FPGA 万能芯片的特性, 性能远超 GPU 等
芯片 NRE 费用在指数级上升
集成电路行业的特点是赢家通吃, 像 CPU 处理器, 只有英特尔一家独大, 门槛极高而随着芯片制程工艺的提升, 芯片 NRE 费用呈现指数级上升这样导致的结果是需要收回成本的芯片销售规模门槛越来越高市场上能够满足如此大市场规模要求的单品是非常少的
芯片设计成本随着制程提升呈指数级上升
而 FPGA 则可以受益于指数级成本上升带来的规模效应因为 FPGA 的 NRE 成本可以摊到上千个小项目上, 从而让每个项目只分担几十万美元的 NRE 比如开发一款 14nm 的 FPGA, 假设需要一亿美元, 其性能可以达到 45nm ASIC 的水平然后有 1000 个有 45nm 工艺要求的项目可以采用该 FPGA 来解决问题, 他们支付不了 45nm 工艺数千万美元的 NRE, 但是通过分摊的方式每家支付几十万美元可以使用 14nm 的 FPGA 产品
因此, 随着芯片 NRE 费用指数级上升, 越来越多的 ASIC 芯片将由于达不到规模经济而被迫放弃, 从而转向直接基于 FPGA 开发设计而 FPGA 可以受益于指数级成本上升带来的规模效应
来源: http://www.bubuko.com/infodetail-2521989.html