FPGA在各行業(yè)的應用分析

FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx創(chuàng )始人之一Ross Freeman發(fā)明，雖然有其他公司宣稱(chēng)自己最先發(fā)明可編程邏輯器件PLD，但是真正意義上的第一顆FPGA芯片XC2064為xilinx所發(fā)明，這個(gè)時(shí)間差不多比摩爾老先生提出著(zhù)名的摩爾定律晚20年左右，但是FPGA一經(jīng)發(fā)明，后續的發(fā)展速度之快，超出大多數人的想象，近些年的FPGA，始終引領(lǐng)先進(jìn)的工藝。

FPGA發(fā)明后，在這個(gè)行業(yè)里面曾經(jīng)出現過(guò)不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，經(jīng)過(guò)十幾年的廝殺，玩家逐漸減少，這些公司或者出售，或者退出，如cypress，atmel完全退出，actel出售給microsemi，altera被intel收購，但這兩個(gè)廠(chǎng)家還在這個(gè)行業(yè)?，F在國際上的主流廠(chǎng)家實(shí)際只剩xilinx，altera（intel），lattice和microsemi四家。而前兩者是絕對的霸主，占據市場(chǎng)總份額的近90%，處在第一陣營(yíng)。后兩者份額在百分之十左右，處在第二陣營(yíng)，但和第一陣營(yíng)差距非常大。與國際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國內陸續誕生了一些FPGA設計公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場(chǎng)份額及技術(shù)方面和國際巨頭差距非常大，還遠未達到挑戰領(lǐng)先巨頭的實(shí)力，后面會(huì )對國內廠(chǎng)家做些分析。

下面再來(lái)簡(jiǎn)要介紹FPGA設計，這里的FPGA設計不是研發(fā)FPGA芯片，而是用FPGA做產(chǎn)品設計。業(yè)界普遍認為FPGA設計門(mén)檻很高，相對軟件設計，差別在哪呢？現在FPGA的主流設計還是采用verilog設計（早期有使用原理圖方式，這個(gè)方式更接近硬件搭積木，但大規模的設計無(wú)法完成）。用matlab，C語(yǔ)言做算法設計，然后通過(guò)工具直接轉化為verilog的方式，喊了十幾年，到現在還未成為主流，說(shuō)明工具在轉化verilog方面其效果還不如有經(jīng)驗的FPGA人員寫(xiě)的代碼。Verilog語(yǔ)言本身非常簡(jiǎn)單，但FPGA設計的難點(diǎn)并不在語(yǔ)言，而是對FPGA器件內部資源和硬件的熟悉，你寫(xiě)的語(yǔ)言能和你使用的目標器件高效的配合起來(lái)，使它的效果、利用率以及程序的可讀性達到最優(yōu)，這個(gè)難度就非常大了。筆者曾經(jīng)牽頭編寫(xiě)了某大型公司整個(gè)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的coding style，有近200條規定，這些規定是幾十個(gè)FPGA開(kāi)發(fā)人員多年經(jīng)驗的積累，不按這個(gè)來(lái)，隨時(shí)可能是個(gè)坑。好的coding style，不僅程序寫(xiě)得很美觀(guān)，可讀性好，也不容易出bug。一般來(lái)說(shuō)，要成為一個(gè)有經(jīng)驗的FPGA設計人員，起碼得從事相關(guān)工作5年以上，經(jīng)歷過(guò)3個(gè)以上大型項目的鍛煉，而且需要有高手帶。筆者曾經(jīng)面試過(guò)的大量的FPGA開(kāi)發(fā)人員，基本上從研究所、小公司或者小團隊出來(lái)的，盡管有些工作了很多年，其底子也不是太好（這里沒(méi)有歧視研究所和小公司的意思，術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻而已）。因此，如果想在FPGA設計領(lǐng)域做得很深入，國內著(zhù)名通信設備廠(chǎng)家絕對是最好的選擇，沒(méi)有之一。當然，如果有IC設計經(jīng)驗的人，轉為FPGA開(kāi)發(fā)，則會(huì )快很多，而且基本功也很扎實(shí)，但需要補充行業(yè)、系統經(jīng)驗。余63%

FPGA從誕生起，就注定和ASIC站在不同的陣營(yíng)。ASIC是固化好的芯片，不可以進(jìn)行硬件編程（上面跑軟件的不屬于硬件編程）而隨意改變硬件結構，而FPGA則可以根據設計者的需要改變硬件結構。因此，從靈活性來(lái)說(shuō)，FPGA遠強于A(yíng)SIC芯片，而且FPGA開(kāi)發(fā)周期也比ASIC要短，因此在有些領(lǐng)域或者場(chǎng)景下，FPGA比ASIC有優(yōu)勢，比如通信領(lǐng)域，協(xié)議標準還不成熟時(shí)，各個(gè)廠(chǎng)家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出產(chǎn)品，而且高度靈活滿(mǎn)足了非標準接口的開(kāi)發(fā)。再比如工業(yè)領(lǐng)域，很多功能也可能是非標的，很難找到合適的ASIC芯片，這時(shí)FPGA也是很好的選擇。但是FPGA也有它的弱點(diǎn)，為了保證靈活性，芯片里面預留了可配置邏輯，即相對ASIC增加了冗余的面積，這樣既增加了成本也增加了功耗，這就決定了在有些領(lǐng)域里面它很難競爭過(guò)ASIC，比如終端產(chǎn)品，它對低功耗要求比較高。在標準化的產(chǎn)品、功能里面，它不需要那么靈活，這也不是FPGA的菜。因為終端產(chǎn)品量非常大，而且這個(gè)世界上大部分東西都是有共性的，即可以標準、通用的可能性大，因此，FPGA在整個(gè)芯片行業(yè)占比總體來(lái)說(shuō)比較小。這些年FPGA總體市場(chǎng)規模在40億美金左右（加上CPLD大概在50多億美金），而2016年全球芯片市場(chǎng)規模大概在4000億美金左右。

總體來(lái)說(shuō)，由于FPGA本身的特點(diǎn)，決定了它不是在每個(gè)行業(yè)、產(chǎn)品都適合應用，標準化的，功耗要求很?chē)栏竦?，單價(jià)很低的產(chǎn)品都不適合，而這些恰恰是電子產(chǎn)品中占比大的，事實(shí)上，FPGA用得比較多的行業(yè)主要有通信、工業(yè)控制、醫療設備、及高端安防等，以及航天和軍工（可靠性要求高，但量不大），未來(lái)可能數據中心和AI會(huì )是一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)，后面會(huì )做分析。

在芯片應用行業(yè)，計算機和通訊是最大的兩個(gè)領(lǐng)域，而對于FPGA來(lái)說(shuō)，應用的第一大領(lǐng)域是通訊而不是計算機。PC機雖然數量及其巨大，但PC機里面沒(méi)有FPGA芯片，原因是PC機是一個(gè)高度標準化的產(chǎn)品，因此PC機里面所有芯片用ASIC實(shí)現不僅可行，而且是經(jīng)濟的。而服務(wù)器、大型機里面開(kāi)始逐步在使用FPGA，主要用于大數據的協(xié)處理，目前量還不大，遠遠無(wú)法和通信產(chǎn)品使用的FPGA相比，但未來(lái)潛力很大，后面會(huì )做進(jìn)一步介紹。

通信產(chǎn)品可以從云、管、端層面來(lái)劃分，端不大適合使用FPGA，如前所述，因為FPGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時(shí)間吵得沸沸揚揚的lattice FPGA芯片用于三星和蘋(píng)果7的手機案例，實(shí)屬特例，千萬(wàn)不要認為未來(lái)FPGA能大規模進(jìn)軍消費電子，從而使得FPGA市場(chǎng)規模將成倍甚至數十倍的增加，至少短期內可能性不大。

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，在大數據和云計算沒(méi)有規模應用之前，核心網(wǎng)設備里面基本沒(méi)有FPGA，因為核心網(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標準化，變化不是太大，我們常見(jiàn)的2G-3G-4G以及即將到來(lái)的5G，其標準的核心部分實(shí)際上主要體現在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道（基站、基站控制、承載、傳輸等產(chǎn)品）中實(shí)現，這些標準變化快，各設備廠(chǎng)家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標準還未凍結之前就推出原型樣機甚至小批量，而這只有FPGA能做到。一般來(lái)講越往終端側靠近，設備的數量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側用的FPGA數量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴?？紤]量、價(jià)因素，最終還是基站側用的FPGA總價(jià)高。

為什么是基站（也可以說(shuō)是管道）最適合用FPGA，而且總價(jià)最高。首先因為基站的量非常大，基站雖然和手機的量沒(méi)法比，但遠多于核心網(wǎng)數量，據不完全統計，全球存量基站有數千萬(wàn)（5G部署后，可能會(huì )輕松破億），每個(gè)基站里面有數塊到10數塊板子（根據配置不同而不同），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型號也不會(huì )太低端，因為要處理復雜的物理協(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，最多在初期原型驗證用，不會(huì )大規模發(fā)貨。最后，基站主要負責實(shí)現通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來(lái)實(shí)現，尤其是協(xié)議未完全凍結時(shí)，最適合FPGA來(lái)處理，因為可以通過(guò)升級FPGA版本來(lái)應對協(xié)議變動(dòng)，待協(xié)議完全凍結后，各設備廠(chǎng)家會(huì )逐步以ASIC來(lái)替代之前的FPGA，因為量達到一定程度后，ASIC的成本和功耗優(yōu)勢就體現出來(lái)了，而且大型設備商的ASIC化能力又非常強，因此FPGA在通信領(lǐng)域主要在初、中期應用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口類(lèi)的FPGA，這也是FPGA廠(chǎng)商必須要面對的一個(gè)現實(shí)。

除了通信領(lǐng)域，FPGA在安防和工業(yè)領(lǐng)域也存在大量應用。在安防領(lǐng)域，視頻的編解碼比如MPEG和H.26x等協(xié)議基本由專(zhuān)用ASIC實(shí)現，但是前端的數據采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來(lái)處理，因為安防也是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，因此，FPGA的用量也是非?？捎^(guān)的。工業(yè)領(lǐng)域主要用FPGA的靈活性來(lái)做控制，而且主要是規模比較小的FPGA。此外，軍工和航天也是FPGA應用的一個(gè)重要領(lǐng)域，軍工和航天對FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有軍工產(chǎn)品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工藝（一次編程，可以更好的抗干擾和抗輻射等）FPGA因其高可靠性，主要用于軍工航天產(chǎn)品。