芯片大潮中，细分市场需求各异，FPGA以半定制化的独特属性占有一席之地。而新市场的涌现，头部玩家的布局，在国产FPGA厂商打开增量空间的同时，也并发出高技术壁垒。
FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA 赛道空间广阔，
在5G和AI领域中的广泛应用
FPGA主要应用在AI、自动驾驶、 5G通信、工业物联网、数据中心5个领域。FPGA具有可重构、可定制的优势，成本高于完全定制化的 ASIC，但比通用型产品拥有更大的并行度。
在 5G 领域，FPGA 凭借可编程的核心特性，与5G无线网络对灵活性、性价比和智能化的需求不谋而合。在需要随时升级的很多通信业务应用场景中，与FPGA相比，ASIC的灵活性不足，无法跟上算法的迭代更新，因此 FPGA 是一个更好的选择。
在人工智能领域，规模化落地目前仍存在许多芯片层面的问题。AI的基础硬件需要满足低延迟、高性能、高可靠性、高性价比等要求，这些刚好是FPGA能够充分满足的。同时，市场有大量的“训练”需求和“推断”（包括数据中心和边缘端）需求。基于 CPU 的传统计算架构，无法充分满足人工智能高性能并行计算的需求；而作为低功耗异构芯片，FPGA 开发周期快、编程灵活，从而驱动人工智能解决斱案正从软件演进转向软件 芯片的迭代。
FPGA 芯片在矩阵运算、图像处理、机器学习、非对称加密、搜索排序等人工智能领域有着很广阔的应用前景，已与GPU及ASIC等芯片一起成为人工智能处理芯片的重要选择之一。在云端，FPGA流水线并行结构，可以实现更高的并发处理；在端侧，当推断决策任务转至智能终端，中低密度 FPGA 大有用武之地。因此，Semico Research预测，FPGA在人工智能领域的市场规模2023年有望达52亿美元，五年复合增速38.4％。
可重新“编程” 的高性能计算芯片
—— FPGA
为解决能耗限制、处理器核心无法同时运作、以及性能提升有限的问题，业界提出了“定制计算”的方案，也就是为特定的工作场景和负载优化硬件设计。FPGA（“现场可编程逻辑阵列”）应运而生，人们在可编程的芯片 FPGA 上把硬件设计重复烧写进它的可编程存储器里，从而使 FPGA芯片可以执行不同的硬件设计和功能。
受益于与众不同的架构，FPGA的可编程属性使其相比其他处理器，在算力、成本、功耗之间更能取得平衡。FPGA的优势：
- 可编程灵活性高：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。
- 开发周期短：FPGA无需布线、掩模和定制流片等，芯片开发流程大幅简化，因此普遍被认为是构建原型和开发设计的最快推进路径之一。传统的ASIC和 SoC设计周期平均是14到24个月，用FPGA进行开发时间可以平均降低 55%。
- 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。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的效率更高。
▲ 图1：CPU、GPU、FPGA、ASIC对比
当然，FPGA 也有很多限制因素：
- 成本方面，实现同样逻辑的性能， FPGA的成本是 ASIC 芯片成本的 10倍以上；
- 功耗方面，FPGA芯片的面积比ASIC更大，功耗也高于ASIC；
- 编程设计，需要采用专用工具进行 HDL编译，再烧录至 FPGA中，技术门槛要求非常高。
随着FPGA生态环境的建设和完善、 ASIC芯片的逐渐成熟，未来异构计算领域会呈现GPU、 FPGA、ASIC芯片三分天下的局面。
▲ 图2：FPGA 特性及应用
FPGA的特点决定其应用方向。采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；FPGA可做其它全定制或半定制 ASIC电路的中试样片；FPGA内部有丰富的触发器和 I／O引脚；FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
正因为这些特点，FPGA 主要应用于：
- 通信设备的高速接口电路设计：用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换；
- 数字信号处理/数学计算方向：例如金融、医疗数据分析
- SOPC：利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，设计者在上面进行嵌入式软件开发；
- 深度学习方向：在FPGA上实现异构计算和并行计算，推动其在深度学习中的应用。
FPGA 全球市场“两大两小”格局
随着5G、AI等技术的提升，全球FPGA市场规模稳步增长，2020年全球FPGA销售额已超过60亿美元，Frost&Sullivan预计，全球FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%。
▲ 图3：2013-2025年全球FPGA市场规模（亿美元）
FPGA 市场前景诱人，行业技术壁垒较高，呈现“两大两小”的市场格局，即赛灵思、英特尔、Lattice（莱迪思）、Microchip （微芯科技）。在此格局下，FPGA企业市场份额也高度集中，赛灵思、英特尔两大公司对 FPGA 的技术与市场占据绝对垄断地位。两家公司占有将近 72%市场份额，专利高达 6000余项之多，而这种垄断仍在加剧。
赛灵思（Xilinx）是 FPGA、可编程 SoC 及 ACAP 的发明者，为业界提供了最灵活的处理器技术，通过灵活应变的计算技术实现行业的快速创新。目前赛灵思占据了 FPGA 产品42%以上的全球需求。
赛灵思在AI时代的战略布局是以数据中心优先，加速主流市场拓展，推出全新一代AI芯片架构ACAP。赛灵思通过对加强与关键数据中心客户、生态系统合作伙伴及软件应用开发商的合作力度，进一步推动计算加速、计算存储及网络加速领域的部署；不断推动与汽车、无线基础设施、有线通信、音视频与广播、航空航天、工业、医疗、测试测量及消费类电子等领域客户的合作和创新。而 ACAP 这一高度集成的多核异构计算平台可实现 CPU 与 GPU无法企及的性能水平和单位功耗性能。
特别值得重点强调的是，ACAP是业界首款自适应计算加速平台，2018年10月由赛灵思推出，全称为“Versal ACAP”，是完全支持软件编程的异构计算平台，将标量引擎、自适应引擎和智能引擎相结合，适用于 AI推断、机器视觉、数据库、计算存储及网络加速等应用场景。
▲ 图4：赛灵思 Versal ACAP 顶层概念图
Versal ACAP 的优势在于：1. 软件可编程性：能通过软件抽象工具链快速 开发优化应用 ；2. 异构加速：速度超过当前最高速的 FPGA20 倍、比当今最快的 CPU 快100倍。3. 动态自适应重配置：可重配置硬件，与以毫秒为单位的比特流进行动态倒换，让硬件具有软件的灵活性。
英特尔 FPGA 是2015年英特尔收购 Altera 而来。科技企业大吃小的兼并之举，也发生在赛灵思身上，AMD以350亿美元收购赛灵思正在等各国监管部门批准，或于今年年底前完成这一收购交易。 作为CPU领域的前二厂商，英特尔与AMD这对“老对手”在处理器和超算领域的竞争有来有回，但在 FPGA 布局上思路一致。在云计算和AI导致的算力需求爆发和混合计算架构迅速发展的情况下，CPU大厂收购FPGA厂商可直接补强其FPGA支撑的并行和可编程计算技术，使他们在新兴异构计算架构时代保持领先。
英特尔在收购了Altera之后，成立了新的业务部门 — 可编程解决方案事业部（PSG）。除了加强现有的 FPGA 业务，可编程解决方案事业部还将与英特尔数据中心事业部和物联网事业部密切合作，推出下一代高度自定义集成产品和解决方案。
英特尔PSG近两年成绩傲人。2019年，在英特尔10nm® Agilex FPGA系列推动下，Design-Win数量创下新纪录；同期，英特尔拓展了可编程加速卡（英特尔®PAC）和英特尔 ®Stratix®10 FPGA系列，这两个系列可与英特尔至强处理器，英特尔超级通道互联，英特尔傲腾技术和加速软件栈无缝运行，扩展了 FPGA加速平台产品组合；作为英特尔的一个重要业务面，PSG部门正在加速英特尔平台的关键运算，并提供高度定制化的软硬件解决方案，从根本上支持英特尔以数据为中心的未来愿景。
莱迪思（Lattice）是系统设计全面解决方案的提供商。成立于 1983年的莱迪思半导体，可提供业界最广范围的现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑器件（ PLD）及其相关软件，包括现场可编程系统芯片 （FPSC）、复杂的可编程逻辑器件（ CPLD），可编程混合信号产品（ ispPAC®）和可编程数字互连器件（ispGDX®）。莱迪思为全球消费、通信、工业、计算和汽车市场提供低功耗 FPGA、视频 ASSP 和IP产品。莱迠思的营收 70% 以上来自亚洲地区，中国市场占据极为重要的权重。
美高森美（Microsemi）是 Microchip Technology Inc. 的全资子公司，是美国国防军工 FPGA 器件顶级供应商，为通信、国防和安全、航空航天和工业市场提供全面的半导体和系统解决方案组合。美高森美在业内久负盛名，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，以一己之力承包美国航空航天市场的 FPGA电子器件，军工方面与赛灵思和英特尔 PSG 竞争。
国产替代化：市场空间激励跨越技术门槛
根据 Frost&Sullivan 统计，中国 FPGA 市场从 2016 年约 65.5 亿元增长至 2020 年约 150.3 亿元，年均复合增长率 约为 23.1%，且预计到 2025 年中国 FPGA 市场规模将达到约 332.2 亿元。根据 Frost&Sullivan 统计，从出货量来看，2019 年中国市场排名前三的供应商分别为 Xilinx、Altera 和 Lattice，这三者共占据 85%的市场份额。随着 FPGA 市场增量不断放大，将激励国产 FPGA 厂商跨越技术门槛，深度受益于国产化替代浪潮的持续推进。
近年，由于云计算、高性能计算和人工智能的全球繁荣，中国市场也如火如荼，不断激发和催化 FPGA 新的市场增量空间。
FPGA的灵活性使芯片设计人员可通过硬件描述语言，用软件的形式将各种数理逻辑下载到FPGA 里，从而重新定义芯片功能，尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，只需要几百毫秒即可更新芯片的逻辑功能的 FPGA 可有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择，这是其他数字芯片所无法实现的。
FPGA是高技术门槛的芯片细分领域，不仅开发难度大，需要最先进的制造封测工艺，国内制程与国外相差悬殊，且 IP复杂繁多。行业前二就是依靠高技术壁垒长期垄断超过70%的市场份额。
▲ 图5：赛灵思 ALVEO 加速卡
FPGA的商业模式也在悄然演变。过去传统的FPGA业务模型里，FPGA厂商通常只负责卖给客户FPGA芯片和FPGA的开发工具这两样东西，主要的开发过程往往由客户完成。如今，FPGA厂商更倾向于提供给客户一个完整的系统级解决方案，两大FPGA厂商赛灵思和英特尔目前纷纷推出的各类FPGA加速卡和完整软件开发环境的全栈式解决方案。这些方案针对不同应用场景下的用户需求，通过提供这些完整的开发环境，大大简化了FPGA的开发难度，使得软件开发人员能够在短时间内完成算法模型的FPGA实现。
纵观行业格局，全球FPGA行业的主要市场份额常年被赛灵思和英特尔“两大”公司牢牢掌握，而他们逐渐构建起一道由上万件核心技术专利组成的“护城河”，而这条护城河也不断推高新进入者的技术门槛，成功阻截了新兴新兴FPGA公司的发展脚步。而 Lattice 和 Microsemi 这“两小”也只能靠剑走偏锋，专攻低功耗、航空航天等利基市场，在特殊应用领域求得生存空间。
尽管市场被国外企业高度垄断，中国FPGA的市场规模及前景也不容忽视。根据Frost&Sullivan数据，中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2020年的约150.3亿元，年均复合增长率约为23.1%。随着5G、AI以及数据中心等市场的发展，国产替代进程的进一步加速，中国FPGA市场需求量有望持续扩大。预计到2025年，中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元，增速远高于全球市场。
伴随国家政策扶持，中国应用领域需求爆发、新兴基础设施全面铺开，以及国内研发人才竞争力的增强，本土企业在FPGA这个小众技术路线上也有很大的发挥空间。有业内人士表示，在这轮FPGA市场的变革当中，国产独立FPGA企业将承担更多国产化需求角色。与此同时，国产独立FPGA企业也将更多的助力遍地开花的国产芯片企业的崛起，并在差异化应用场景满足各类需求。
复旦微是国内FPGA领域技术较为领先的公司之一，目前已可提供千万门级 FPGA芯片、亿门级 FPGA芯片以及嵌入式可编程器件（PSoC）共三个系列的产品。复旦微的亿门级 FPGA芯片，基于 28nm工艺制程，采用业内先进的 CMOS 工艺，是国内最早研制成功的亿门级 FPGA芯片，目前已实现量产销售。该系列产品集成了SerDes、DDR3等高速模块，是5G通讯、人工智 能、自劢驾驶、物联网、大数据中心等场景下的核心器件。
▲ 图6：复旦微 FPGA 芯片产品介绍及应用领域
紫光系紫光国微和紫光同创同是百花齐放的国产FPGA龙头厂商。两家公司联营的拳头产品Titan PGT30G已量产，采用 40nm 制程工艺，是国内少有的千万门级 FPGA。
除复旦微、紫光同创登录科创板之外，安路科技、高云半导体、京微齐力等本土FPGA厂商也纷纷于近日登陆科创板，公司动态和产品进展都呈现出勃勃生机。但景气背后，从技术层面来看，独立的国产FPGA和国外巨头差距仍旧较大。
小结
在算力就是生产力的当今时代，算力的变革往往会催生新的计算形式，并驱动产业链的整合波动整合。
在下一波计算浪潮中，预计业界将继续采用FPGA来支持更多应用和进一步的发展，诸如智能网联和自动驾驶、边缘计算、以及用于可编程无线电和前传融合的5G基础设施等等。而技术的发展没有捷径，尤其在专利壁垒极高的FPGA产业，不论是芯片架构、关键IP、高速接口等芯片硬件设计，还是FPGA设计工具和生态系统建设，都需要在正确的发展路径上不断积累和加速，才可能有朝一日与主流舞台上的玩家们同场竞技。
