比起出貨量動(dòng)輒幾十億、市場規(guī)模達(dá)千億美元的 CPU 和 GPU，FPGA 顯得有些 「小眾」—— 其全球市場規(guī)模僅僅百億美元。

但在國產(chǎn)芯片自主化的征程上，這顆看似不起眼的芯片卻分量十足，時(shí)常成為大眾討論的焦點(diǎn)。

FPGA，必爭之地

今年，是首款商用現(xiàn)場 FPGA 誕生 40 周年。當(dāng)時(shí)，它首次引入了可重復(fù)編程硬件的理念。通過創(chuàng)造「像軟件一樣靈活的硬件」，F(xiàn)PGA 的可重編程邏輯徹底改變了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的面貌。

FPGA 主要有三大特點(diǎn)：可編程靈活性高、開發(fā)周期短及并行計(jì)算。

首先，與 ASIC 的全定制電路不同，F(xiàn)PGA 屬于半定制電路。理論上，如果 FPGA 提供的門電路規(guī)模足夠大，通過編程可以實(shí)現(xiàn)任意 ASIC 和 DSP 的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像 ASIC 設(shè)計(jì)后固化不能修改。因此，F(xiàn)PGA 的靈活性也較高。

其次，ASIC 制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線處理和流片等多個(gè)步驟，而 FPGA 無需布線、掩模和定制流片等，芯片開發(fā)流程簡化。傳統(tǒng)的 ASIC 和 SoC 設(shè)計(jì)周期平均是 14 個(gè)月到 24 個(gè)月，用 FPGA 進(jìn)行開發(fā)時(shí)間可以平均降低 55%。全球 FPGA 第一大廠商 Xilinx 認(rèn)為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市六個(gè)月 5 年內(nèi)將少 33% 的利潤，每晚四周等于損失 14% 的市場份額。

最后，F(xiàn)PGA 屬于并行計(jì)算，一次可執(zhí)行多個(gè)指令算法。而傳統(tǒng)的 ASIC、DSP、CPU 都是串行計(jì)算，一次只能處理一個(gè)指令集。因此在部分特殊任務(wù)中，F(xiàn)PGA 的并行計(jì)算效率比串行計(jì)算效率更高。

FPGA 的走紅并非單點(diǎn)突破，而是移動(dòng)通信、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三次技術(shù)革命共同作用的結(jié)果。

5G 商用化成為第一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。5G 網(wǎng)絡(luò)需要處理的信道數(shù)量是 4G 的 10 倍以上，且需支持靈活的帶寬調(diào)整與多制式兼容。使用 FPGA 實(shí)現(xiàn)基站基帶處理，可以明顯縮短研發(fā)周期，并顯著降低早期部署成本。

AI 邊緣計(jì)算的興起讓 FPGA 再上臺(tái)階。云端訓(xùn)練依賴 GPU 的大規(guī)模并行計(jì)算，但邊緣端的實(shí)時(shí)推理更看重低延遲與低功耗。比如，F(xiàn)PGA 尤其適合在智能攝像頭和傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中進(jìn)行 AI 推理加速。

工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型則打開了長期增長空間。工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器等設(shè)備需要處理大量非標(biāo)數(shù)據(jù)，且對可靠性要求苛刻。FPGA 的抗輻射、寬溫特性使其成為工業(yè)控制的理想選擇。

高端 FPGA，擠滿頭部公司

FPGA 的市場版圖上，美國企業(yè)的強(qiáng)勢地位早已刻入行業(yè)基因。Xilinx 與 Altera 筑起雙頭壟斷高墻，Lattice 和 Microchip 緊隨其后瓜分地盤，四家合計(jì)吞下超 90% 的市場蛋糕。

國內(nèi)市場中，紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電、安路科技三家上市企業(yè)構(gòu)成第一梯隊(duì)，在賽道上奮力追趕。

從通信設(shè)備到高清視頻處理，從數(shù)據(jù)中心到工業(yè)控制，高性能 FPGA 是繞不開的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。它既是能靈活重構(gòu)的 "萬能控制器"，更是拿捏系統(tǒng)效率、數(shù)據(jù)吞吐、安全隔離的 "咽喉要道"。

然而，從具體 FPGA 產(chǎn)品分類中，中高端市場幾乎仍是國際巨頭的專屬領(lǐng)地，國產(chǎn)方案始終缺少能正面抗衡的 "硬核力量"。

那么中高端 FPGA 的評判標(biāo)準(zhǔn)有哪些？國際廠商進(jìn)展如何？

工藝制程是區(qū)分各代 FPGA 的標(biāo)準(zhǔn)，也是評價(jià) FPGA 首先要考慮的指標(biāo)。FPGA 作為數(shù)字芯片的一種，本身遵循摩爾定律，平均每 2-3 年推出新一代產(chǎn)品。采用更先進(jìn)的制程能降低功耗、縮小芯片尺寸并降低單片成本，使得新一代 FPGA 性能通常優(yōu)于上一代。因此，評價(jià) FPGA 首先要考慮其制程。

• 目前 Xilinx 最先進(jìn)的產(chǎn)品「Versal」，采用臺(tái)積電 7nm FinFET 工藝。

• Altera 的 Agilex 3 系列 FPGA 基于英特爾 7nm 工藝。

邏輯單元數(shù)代表 FPGA 的基礎(chǔ)容量，是目前評價(jià) FPGA 基礎(chǔ)容量的統(tǒng)一指標(biāo)。FPGA 的最小功能單元被稱為基礎(chǔ)邏輯單元，包含一個(gè) LUT 和一個(gè)寄存器。FPGA 實(shí)現(xiàn)可編程的基礎(chǔ)是 LUT，本身可實(shí)現(xiàn)組合電路，配合寄存器可以完成時(shí)序電路，即一個(gè)邏輯單元擁有完成所有數(shù)字電路功能的能力。所以，邏輯單元數(shù)量越多，F(xiàn)PGA 容量越大，能構(gòu)造的電路就越大型、越復(fù)雜。大容量 FPGA 直接體現(xiàn)廠商的技術(shù)能力。因?yàn)榇笮?FPGA 的邏輯單元數(shù)基本在 1kk 以上，當(dāng)邏輯單元數(shù)超過 1kk 時(shí)，需要對包含 LUT、CLB、互聯(lián)在內(nèi)的 FPGA 架構(gòu)進(jìn)行更改，否則功耗和時(shí)延會(huì)直接飆高。此外，還需要配套的 EDA 工具設(shè)計(jì)流程及布局布線算法迭代。目前，全球排名前五名的 FPGA 廠商中，只有 Xilinx 和 Altera 兩家有能力持續(xù)提供大容量的 FPGA 產(chǎn)品線。

• 目前全球容量最大的 FPGA 為 AMD 在 2023 年 6 月推出的 VP1902（VersalPremium），邏輯單元數(shù)高達(dá) 18,507k（18kk）。

• 今年 4 月 Altera 宣布 Agilex7 M 系列 FPGA 正式量產(chǎn)出貨。作為業(yè)界首款集成高帶寬存儲(chǔ)器（HBM2E）并支持 DDR5/LPDDR5 技術(shù)的高端 FPGA，該產(chǎn)品以 1TB/s 總內(nèi)存帶寬和 380 萬（3.8kk）邏輯單元的核心配置，為 AI 推理、5G 通信、8K 視頻處理等場景提供顛覆性算力支持。

從制程上看，目前國產(chǎn)FPGA最先進(jìn)制程在 14/16nm。

在容量方面，中國廠商的低容量 FPGA 技術(shù)已發(fā)展較為成熟。低容量 FPGA 指邏輯單元在 100k 以下的 FPGA 產(chǎn)品。實(shí)際上，大部分低容量 FPGA 的邏輯單元在 10k 以內(nèi)，主要用在消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如 LED 顯示、橋接等，以及部分預(yù)留或者功能拓展的場景。目前，本土的低容量 FPGA 制程主要集中在 55nm、40nm 和 28nm 這三個(gè)節(jié)點(diǎn)，大部分在 2019 年及之前推出，往往是本土 FPGA 廠商的第一代產(chǎn)品。

例如，紫光同創(chuàng)的 Logos 系列在 2017 年推出，為 40nm 的低功耗、低成本 FPGA，邏輯單元在 12-102k 之間；安路科技的 55nm 的 Eagle4 在 2016 年推出，邏輯單元 20k，主要用于伺服控制、高速圖像接口轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域；高云半導(dǎo)體的 55nm 的 FPGA 小蜜蜂（LittleBee）在 2016 年推出，是公司第一代產(chǎn)品，邏輯單元數(shù)在 1-8k。

在 28nm 的中低容量市場，中國 FPGA 廠商也已經(jīng)具備成熟的產(chǎn)品。中容量 FPGA 主要指邏輯單元在 100k-500k 的 FPGA，主要應(yīng)用集中在無線通信的空口側(cè)、工業(yè)、汽車、A&D 領(lǐng)域，中容量市場不追求最高的性能，性能和功耗同等重要，對成本亦有一定要求。比如紫光同創(chuàng)、安路科技、智多晶均在 2020 年推出了 28nm 的 FPGA 產(chǎn)品，主要對標(biāo) Xilinx 的 7 系列產(chǎn)品等。

此外還有部分廠商推出 22nm 的 FPGA，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)部分 28nm 的中低容量 FPGA。比如高云在 2022 年 9 月推出的 Aurora V，是其 22nm 的 FPGA 產(chǎn)品，邏輯單元數(shù)為 138k。

目前，高容量 FPGA 是國產(chǎn)化的難點(diǎn)。

高端 FPGA，是重要機(jī)遇

全球高端 FPGA 市場主要由賽靈思和 Altera 占據(jù)，代表產(chǎn)品包括賽靈思 7nm 的 ACAP Versal、16nm 的 Virtex Ultrascale+，以及 Altera 10nm（Intel 7）的 Stratix 10 和 Agilex。這些產(chǎn)品價(jià)格高昂代表了當(dāng)前 FPGA 在性能、密度與集成度上的最高水平。

而高端 FPGA 不僅是利潤與競爭力的核心載體，也是技術(shù)迭代的需要。

一方面，低端市場因門檻較低，企業(yè)扎堆競爭導(dǎo)致利潤空間被壓縮，且難以形成穩(wěn)定優(yōu)勢。而高端市場憑借高附加值成為廠商的「主戰(zhàn)場」，以 Altera 為例，其高端 Stratix 系列收入占比超過五成，這種結(jié)構(gòu)性的利潤分布，決定了企業(yè)若想在行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，必須在高端領(lǐng)域有所突破。同時(shí)，高端產(chǎn)品的技術(shù)壁壘能有效阻擋新進(jìn)入者，為企業(yè)構(gòu)建長期競爭優(yōu)勢提供支撐。

另一方面，高端 FPGA 是適配新興產(chǎn)業(yè)升級的 「剛需」。隨著 5G 通信、人工智能、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對芯片的性能、集成度和靈活性提出了更高要求。高端 FPGA 采用 20nm 及更先進(jìn)制程，邏輯單元數(shù)突破百萬級，集成 CPU、高速接口等異構(gòu)組件，能滿足高頻數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜場景協(xié)同計(jì)算等需求，而這些都是低端產(chǎn)品難以企及的。

國產(chǎn) FPGA 距離高端市場仍有差距，但國內(nèi)相關(guān)企業(yè)已初步邁入這一領(lǐng)域。

制程層面，當(dāng)前 FPGA 正加速向 16nm 及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)遷移，技術(shù)代差帶來的競爭優(yōu)勢愈發(fā)明顯。國內(nèi) FPGA 公司已有 16nm 及以下相關(guān)成果落地。易靈思于 2020 年 7 月推出 16nm FPGA 鈦金系列，最高邏輯單元數(shù)達(dá) 176k，成為國產(chǎn) FPGA 在 16nm 領(lǐng)域的首發(fā)產(chǎn)品。紫光國微官網(wǎng)新聞顯示，紫光同創(chuàng)已啟動(dòng) 14nm 億門級高端 FPGA 的研發(fā)工作。復(fù)旦微電于 2021 年開啟 14/16nm 產(chǎn)品研發(fā)，2023 年其 1xnm 制程的十億門級 FPGA 完成小批量試制，進(jìn)入用戶試用階段，并實(shí)現(xiàn)小規(guī)模銷售。

500K 以上高容量 FPGA 仍是國產(chǎn)化的難點(diǎn)。復(fù)旦微電的 28nm 億門級 FPGA 為國內(nèi)首款，含約 700K 邏輯單元，集成 SerDes（最高 13.1Gbps）、DDR4、硬核 ARM 及 AI 加速模塊，對標(biāo) Xilinx Zynq 系列，應(yīng)用于通信核心網(wǎng)、醫(yī)療設(shè)備、車規(guī)電子等領(lǐng)域。

無錫中微憶芯專業(yè)從事高性能 FPGA 研發(fā)，產(chǎn)品包括 YX5F200T 等，應(yīng)用于工業(yè)控制和宇航領(lǐng)域；2024 年 16nm FPGA 試產(chǎn)成功，邏輯單元密度達(dá) 500K。

FPGA 的國產(chǎn)化，是一場需要穩(wěn)步推進(jìn)的攻堅(jiān)。作為數(shù)字硬件領(lǐng)域的重要一環(huán)，它在國產(chǎn)化進(jìn)程中的分量，并不因市場規(guī)模小于 CPU、GPU 而減弱。