如今全球正經(jīng)歷一場數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，不斷打破“數(shù)字世界與真實世界之間的藩籬”,，邁向萬物智能互聯(lián)的世界,，不僅僅是云計算、大數(shù)據(jù)的蔚然成風,，亦催生虛擬現(xiàn)實,、人工智能等技術(shù)的興起，大量的數(shù)據(jù)和計算能力需求也引發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu)的變革,。

一,、FPGA是大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的趨勢

1.1、Intel167億美元,、35倍倍PE押注FPGA

2015年6月1日,，Intel宣布斥資167億美元，以每股約54美元的價格收購全球第二大FPGA廠商Altera（阿爾特拉）,，這是Intel成立47年以來歷史上規(guī)模最大的收購,。本次Intel的收購對應的估值高達35倍，這在半導體領(lǐng)域已經(jīng)非常罕見,。

Intel收購Altera,，主要基于三方面考慮：

第一、IBM與全球第一大FPGA廠商Xilinx合作,，主攻大數(shù)據(jù)和云計算方向,，這引起Intel的巨大擔憂。Intel已經(jīng)在移動處理器落后，大數(shù)據(jù)和云計算領(lǐng)域不能再落后,。

第二,、FPGA在云計算,、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域?qū)⑸钊霊?。Intel此次與Altera合作，將開放Intel處理器的內(nèi)部接口,，形成CPU+FPGA的組合模式,。其中FPGA用于整形計算，cpu進行浮點計算和調(diào)度,，此組合的擁有更高的單位功耗性能和更低的時延,。

第三、IC設(shè)計和流片成本,。隨著半導體制程指數(shù)增長,，F(xiàn)PGA在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⑻娲邇r值、批量相對較?。?萬片以下）,、多通道計算的專用設(shè)備替代ASIC。同時,，F(xiàn)PGA開發(fā)周期比ASIC短50%,，可以用來快速搶占市場。

1.2,、FPGA+CPU,，大數(shù)據(jù)時代的趨勢之一

在去年杭州的云棲大會，Intel已經(jīng)展示了其Xeon+FPGA的創(chuàng)新模式,，計劃17年將投放市場,。Altera的FPGA產(chǎn)品可以讓英特爾Xeon至強處理器技術(shù)形成高度定制化、整合產(chǎn)品,，單位功耗性能比CPU+GPU模式更高,。CPU+FPGA用于數(shù)據(jù)中心，這將是未來數(shù)據(jù)中心的標配,。

目前在海量數(shù)據(jù)處理,，主流方法是通過易編程多核CPU+GPU來實現(xiàn)，而從事海量數(shù)據(jù)處理應用開發(fā)（如密鑰加速,、圖像識別,、語音轉(zhuǎn)錄、加密和文本搜索等）,。設(shè)計開發(fā)人員既希望GPU易于編程,，同時也希望硬件具有低功耗、高吞吐量和最低時延功能。但是依靠半導體制程升級帶來的單位功耗性能在邊際遞減,，CPU+GPU架構(gòu)設(shè)計遇到了瓶頸而,，而CPU+FPGA可以提供更好的單位功耗性能，同時易于修改和編程,。

數(shù)據(jù)顯示,，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETHZurich）研究發(fā)現(xiàn)，基于FPGA的應用加速比CPU/GPU方案,，單位功耗性能可提升25倍,，而時延則縮短了50到75倍，與此同時還能實現(xiàn)出色的I/O集成（PCIe,、DDR4,、SDRAM接口、高速以太網(wǎng)等）,。換言之,，F(xiàn)PGA能在單芯片上提供高能效硬件應用加速所需的核心功能，并同時提供每個開發(fā)板低功耗的解決方案,。

另外,，微軟的研究表明，F(xiàn)PGA的單位功耗性能是GPU的10倍以上,，由多個FPGA組成的集群能達到GPU的圖像處理能力并保持低功耗的特點,。FPGA在云數(shù)據(jù)中心的應用，將從CPU與FPGA離散使用,、向CPU與FPGA打包使用,、再向CPU與FPGA整合使用發(fā)展。根據(jù)英特爾預計,，到到2020年,，將有1/3的云數(shù)據(jù)中心節(jié)點采用FPGA技術(shù)。

另外,，與CPU和GPU相比,，F(xiàn)PGA的運算類似于ASIC“電路直給”，執(zhí)行效率比CPU和GPU大幅提高,。同時,，F(xiàn)PGA在整數(shù)運算領(lǐng)域效率大大超過CPU，所以FPGA在整數(shù)運算領(lǐng)域的加速優(yōu)勢非常明顯,，而整數(shù)運算正是當前主流企業(yè)級應用的主要運算方式,。目前。FPGA在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行圖像識別,、加密算法進行安全控制,、壓縮算法等整數(shù)運算領(lǐng)域的加速運算更加出色,。

1.3、物聯(lián)網(wǎng)—FPGA替代部分AISC,，提升運行效率

Intel收購Altera的另一個原因是因為看好物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的機會,。之前FPGA的主要作用之一是用于原型設(shè)計，先用FPGA做功能驗證然后用ASIC流片,，是為了在節(jié)約成本的情況下更好的設(shè)計ASIC,。但是隨著FPGA自身的性能、能力與可實現(xiàn)邏輯的復雜度的不斷提升,，現(xiàn)在FPGA在高性能,、多通道計算領(lǐng)域可以直接代替一些部分分ASIC和和DSP來使用，主要原因三點：并行運算,、硬件結(jié)構(gòu)可變、運行中可以更改,。

Intel在Computex2015上展示了基于FPGA優(yōu)化下的物聯(lián)網(wǎng)的方案,，F(xiàn)PGA的并行計算在多通道領(lǐng)域優(yōu)勢，以及可編程特性在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域可以對傳統(tǒng)的ASIC方案進行優(yōu)化,。

在安防監(jiān)控領(lǐng)域,，F(xiàn)PGA和DSP都可以實現(xiàn)視頻分析，由于FPGA計算方式采用并行方式,，其處理效率較DSP大幅提高,。基于FPGA的解決方案在設(shè)計時間上可以進行調(diào)整和更新,，在運行時可以重配置——它能夠?qū)崿F(xiàn)通道數(shù)量,、分辨率、幀速率和延時的動態(tài)平衡,。同時,，當出現(xiàn)了新的IP內(nèi)核時，基于FPGA的解決方案能夠靈活地更新,，在現(xiàn)場進行編程改進,。

目前，Intel的X86處理器和DSP很難做到圖像視頻多通道處理和智能檢測分析,，但是CPU+FPGA后其并行處理可以輕易解決,。例如，Intel已經(jīng)有實時的視頻內(nèi)容分析應用,，可以對車牌進行分析,，如果配上FPGA就可以實現(xiàn)對大量車牌的并行分析，也可以解決雨霧天低能見度下的精準分析,，這就是FPGA在安防領(lǐng)域的優(yōu)勢,。

在工業(yè)智能化領(lǐng)域,，F(xiàn)PGA的用處也非常多，例如FPGA的并行計算的特性可以做多通道的馬達控制,。一片F(xiàn)PGA就可以精確控制大量馬達同時運行,，減少傳統(tǒng)采用大量ASIC控制，實現(xiàn)控制流程和運行操作簡化和提升效率,。目前Intel也有智能工廠方案,，如果在云端和網(wǎng)關(guān)端有強大的優(yōu)勢，加上跟終端的控制結(jié)合,，則優(yōu)勢會大大增加,。

在智能家居領(lǐng)域，未來的智能家居的核心在于傳感器的融合,，F(xiàn)PGA的并行計算可以很好處理,。例如，當主人回到家以后,，照明自動打開,，音樂自動播放，門禁和安防自動解禁,，這些應用場需要很很短的時間內(nèi)實現(xiàn)大量的融合算法,。

或者，有人說未來機器人將是家庭的入口,。在機器人控制上也需要大量的并行處理和控制,，例如機器人的智能需要機器視覺技術(shù)的大提速。目前看演示的機器視覺技術(shù),，很多都是基于FPGA來完成的,，這也是FPGA可以發(fā)揮的地方。

最后,，實際應用中,，F(xiàn)PGA的可編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，甚至可通過因特網(wǎng)進行遠程升級,，大大減少的家庭用戶的升級成本,。

總之，CPU+FPGA的模式,，一方面可以提供更好的單位功耗性能夠,，另一方面可以彌補X86架構(gòu)在并行運算上的不足，并可以將方案往下延伸,。據(jù)說,，英特爾將在16年下半年將推出40多款MCU產(chǎn)品，這絕對是占據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端的重拳,，如果未來英特爾X86+FPGA+MCU組合起來,，基本上在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域擁有頂級裝備了,。

1.4、設(shè)計成本高和開發(fā)周期長,，F(xiàn)PGA在小批量更優(yōu)

隨著半導體制程升級,，芯片設(shè)計和流片費用成指數(shù)型增長。最終流片數(shù)量不大的ASIC或者ASSP,，攤銷到每塊芯片的成本其實非常高,。

粗略計算，最便宜的ASIC流片成本需要幾十萬人民幣一次（按照50萬元測算）,，ASIC流片后如果量大,，邊際成本基本為0，而一塊最便宜FPGA芯片的價格在10元左右,。也就是說,，如果客戶有50萬元，實現(xiàn)同樣的芯片邏輯功能,，可以選擇買5萬片F(xiàn)PGA通過編程實現(xiàn),，或者花50萬元設(shè)計ASIC后流片（流片邊際成本為0）。測算下來,，5萬片流片可以作為一個零界點。

按照上面測算,，于低于5萬片合的小批量多批次更適合FPGA,。FPGA在原來的專用設(shè)備控制器上（如雷達、航天飛機,、汽車電子,、路由器，這些高價值,、批量相對較小,、多通道計算的專用設(shè)備）有取代ASIC的趨勢。

另外,，F(xiàn)PGA的靈活性和開發(fā)周期短,，可以幫助企業(yè)快速搶占市場。全球FPGA第一大廠商Xilinx認為,，傳統(tǒng)的ASIC和SoC設(shè)計周期平均是14個月到24個月,，用FPGA進行開發(fā)時間可以平均降低55%。而產(chǎn)品晚上市六個月5年內(nèi)將少33%的利潤,，每晚四周等于損失14%的市場份額,。等到快速搶占市場后，如果產(chǎn)品的量較大再采用ASIC流片來降低成本,。

二,、FPGA—可編程,、靈活性高、開周期短的“萬能芯片”

2.1,、可編程的“萬能芯片”

FPGA（Field Programmable Gate Arrays）—現(xiàn)場可編程門陣列,，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元,，完成既定設(shè)計功能的數(shù)字集成電路,。FPGA可以實現(xiàn)怎樣的能力，主要取決于它所提供的門電路的規(guī)模,。如果門電路的規(guī)模足夠大,，F(xiàn)PGA通過編程可以實現(xiàn)任意芯片的邏輯功能，例如ASIC,、DSP甚至PC處理器等,。這就是FPGA為什么被稱之為“萬能芯片”的原因。

FPGA可隨意定制內(nèi)部邏輯的陣列,，并且可以在用戶現(xiàn)場進行即時編程,，以修改內(nèi)部的硬件邏輯，從而實現(xiàn)任意邏輯功能,。這一點是ASIC和和DSP都無法做到的,。形象點來說，傳統(tǒng)的ASIC和DSP等于一張出廠時就寫有數(shù)據(jù)且不可擦除的CD,，用戶只需要放到CD播放器就可以看到起數(shù)據(jù)或聽到音樂,；而FPGA是一張出廠時的空白的CD，需要用戶自己使用刻錄機燒寫數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤里,，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù),，反復刻錄。

2.2,、可編程靈活性高,、開發(fā)周期短、并行計算效率高

FPGA的核心優(yōu)點,，總結(jié)下來三點：可編程靈活性高,、開發(fā)周期短、并行計算可編程靈活性高,。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,，通過編程可以實現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外,，編程可以反復,，不像ASIC設(shè)計后固化不能修改,。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高,。實際應用中,，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場可重復編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，而不是替換和設(shè)計芯片（設(shè)計和時間成本巨大）,，甚至FPGA可通過因特網(wǎng)進行遠程升級,。

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

并行計算效率高。FPGA屬于并行計算,，一次可執(zhí)行多個指令的算法,，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計算,，一次只能處理一個指令集，如果ASIC和CPU需要提速,，更多的方法是增加頻率,，所以ASIC、CPU的主頻一般較高,。FPGA雖然普遍主頻較低,，但對部分特殊的任務(wù)，大量相對低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高,。另外,，從某種角度上說，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實并沒有所謂的“計算”,，最終結(jié)果幾乎是類似于ASIC“電路直給”,，因此執(zhí)行效率就大幅提高。

2.3,、FPGA限制因素：成本,、功耗和編程設(shè)計

去年9月,，我們曾與國內(nèi)一線IC設(shè)計師對FPGA的未來發(fā)展進入深入交流?？偨Y(jié)來下,，如果未來FPGA價格到低一定程度，將替代大多數(shù)的ASIC芯片,。但是,，目前制約FPGA發(fā)展的三大因素主要有：成本、功耗和編程設(shè)計,。

成本,。如果ASIC流片量大，實現(xiàn)同樣邏輯的FPGA成本將是ASIC的10倍以上,。按照上面的初步測算,，以5萬片流片為零界點，低于5萬片的小批量多批次的專用控制設(shè)別（如雷達,、航天飛機,、汽車電子、路由器,，這些高價值,、批量相對較小、多通道計算的專用設(shè)備）采用FPGA更加經(jīng)濟劃算,。

功耗,。FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因為FPGA廠商并不知道下游的具體需求應用,，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門電路（其實很多沒有使用到）,，行業(yè)深度報告：FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代大有可為國防、汽車等,，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/p>

編程設(shè)計,。FPGA的發(fā)展中，軟件將占據(jù)60%的重要程度,。例如Xilinx公司60%~70%的研發(fā)人員從事軟件工作,。除了考慮芯片架構(gòu)，編程設(shè)計時還要考慮應用場景多樣性,、復雜性和效率,。FPGA編程需要采用的專用工具進行HDL編譯，再燒錄至FPGA中,，其技術(shù)門檻非常高,。

三、FPGA—毛利率高、增速快,、進口替代空間大

3.1,、半導體領(lǐng)域最高毛利率和最高增速

FPGA廠商在半導體領(lǐng)域享有最高的毛利率。2010年根據(jù)半導體公司調(diào)查,，F(xiàn)PGA廠商的平均毛利率為66%,，毛利率中位數(shù)在69%。2014年Altera營業(yè)收入19.3億美元,，凈利潤4.73億美元,，毛利率水平66%，凈利率水平24.5%,，好于我們所熟知的半導體IC巨頭Intel（2014年毛利率59.3%,，凈利率20.9%）。

FPGA毛利率高的原因：EDA（電子設(shè)計自動化）工具廠商MentorGraphics公司CEOWaldenC.Rhines分析認為,，F(xiàn)PGA廠商的差異化做得好,，下游客戶轉(zhuǎn)換成本非常高。具體來看,，體現(xiàn)在產(chǎn)品的差異化,、基礎(chǔ)架構(gòu)和生態(tài)環(huán)境等方面。

產(chǎn)品差異化方面,，F(xiàn)PGA廠商有高效的架構(gòu),，具有法律約束（專利組合和版權(quán)），在每個工藝節(jié)點率先產(chǎn)品上市,?；A(chǔ)架構(gòu)方面，不同供應商提供自己特殊的IP組合,，用戶會對某些設(shè)計架構(gòu)產(chǎn)生熟悉性和依賴性,。生態(tài)環(huán)境方面，F(xiàn)PGA廠商都有專門的第三方IP開發(fā)者,，獨立的應用支持和培訓教育體系,。

除了毛利率，近5年年FPGA在半導體器件中享有最高的增速,。2009-2014年，根據(jù)ICInsight測算,，F(xiàn)PGA的年復合增長率高達15.6%,，遠高于半導體行業(yè)9.6%的增速。

3.2,、市場容量從50億美元向400億美元滲透

FPGA的市場容量在50億美元左右,。不過，目前FPGA大有替代ASIC和和ASSP等傳統(tǒng)芯片的趨勢?！爸灰茉贔PGA上設(shè)計的,，就用FPGA進行設(shè)計””。賽靈思的一位客戶如是說,，而這句話也給予了FPGA廠商們最大的信心,。在Xilinx最新公布的28nm藍圖顯示，在無線/有限通訊,、工業(yè)/醫(yī)療,、航空/國防、汽車甚至消費電子中,，F(xiàn)PGA都有著取代ASIC的基礎(chǔ),。因此，Xilinx公司亞太區(qū)市場營銷總監(jiān)鄭馨南鄭馨南雄心勃勃地預言：“FPGA應用將不斷加快,，從面向50億美元的市場擴展到面向410億美元的市場,。”其中,，ASIC和和ASSP市場各150億美元,，嵌入式處理和高性能能DSP市場各30億美元。

3.3,、半導體領(lǐng)域摩爾定律的堅定執(zhí)行者

FPGA是發(fā)展30年來一直是摩爾定律的堅定執(zhí)行者,。1985年，Xilinx推出第一款FPGA產(chǎn)品—XC2064,，采用2μm工藝,；2015年，Xilinx推出了采用最新16nm工藝的FPGA產(chǎn)品,。最近,，臺積電和賽靈思就宣布了開始7nm工藝技術(shù)的合作，并將于2017年推出7nm工藝的產(chǎn)品這是在實現(xiàn)16nm工藝后,，F(xiàn)PGA繼續(xù)延續(xù)新工藝,。

FPGA的商業(yè)模式是眾多的客戶來分擔芯片研發(fā)（NRE）費用，而ASIC是需要廠商自己承擔,。制程20nm以下,，NRE費用高的驚人，稍有不慎,，好幾百萬美元就打水漂,，沒有哪個ASIC廠商敢這么燒錢。這就是FPGA的先進工藝采用速度高于ASIC廠商的主因,。另外,，且越是先進的工藝技術(shù)，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢越明顯，它可以大幅度降低功耗,，提升晶體管數(shù)量,，這也是廠商推動采用最先進半導體制程的原因。

3.4,、行業(yè)格局雙寡頭,，中國占全球比重極低

2014年FPGA的市場容量在50億美元，行業(yè)格局典型的雙寡頭,，主要4家生產(chǎn)廠家都在美國,。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA器件的廠家主要有Xilinx（賽靈思）,、Altera（阿爾特拉）,、Lattice（萊迪思）和Microsemi（美高森美），這四家公司都在美國,，總共占據(jù)了98%以上的市場份額,。其中全球份額Xilinx占49%，另一家Altera占39%,，剩余的占比12%,。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)FPGA的上市公司有僅有同方國芯，而非上市公司有京微雅格和和AgateLogic等,。目前國內(nèi)FPGA多用于的通訊,、軍工、航空航天等領(lǐng)域,，產(chǎn)量占全球比重極低,。

3.5、對中國的機會：市場在中國,、技術(shù)在發(fā)展

FPGA說的這么好,，和中國廠商由于什么關(guān)系？畢竟沉淀幾十年的核心技術(shù)都在美國,，日本和歐洲都不一定行,。我想說的是，目光可以看得長遠些,。竟畢竟FPGA最大的需求市場在中國,，同時我們的FPGA的技術(shù)未必比別人落后太多。

我們曾與國內(nèi)一線IC設(shè)計師深入交流,，一個重要的結(jié)論是芯片的自主設(shè)計是實現(xiàn)信息安全的最底層保障,。這也是為什么與信息處理相關(guān)的基礎(chǔ)芯片（手機芯片、PC處理器等）需要實現(xiàn)自制的原因,。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術(shù)強國也沒有掌握到核心技術(shù)。

對于中國而言,，國家促進集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略,。同時特殊的應用場景（軍工、導彈,、航天航空）的要求的FPGA,，國外對中國是禁運的，這也從另一方面促成國內(nèi)FPGA自制的契機,。目前,，國內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊,、航空航天等領(lǐng)域,。

在民用領(lǐng)域，國內(nèi)是FPGA需求最大的市場,，現(xiàn)在Xilinx,、Altera最大的客戶就在中國，通訊市場華為中興烽火包攬了全國60%以上的量,。中國FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場足夠大,，有需求就要有相應產(chǎn)品來支持。這對于國內(nèi)廠家就是機會,，目前,，同方國芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實現(xiàn)一部分的國產(chǎn)替代,。

最后,，從技術(shù)角度來說，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù),。國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善,，以及芯片設(shè)計能力的不斷加強，我們自己可以自主設(shè)計和流片ARM架構(gòu)的手機CPU（海思麒麟,、大唐聯(lián)芯）,，并成功實現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信,。在我們在過去積累的技術(shù)沉淀和創(chuàng)新能力,，已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應用領(lǐng)域（軍工、通訊）實現(xiàn)一定程度上的自我供給,。未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中,，這些應用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計的芯片更能實現(xiàn)安全可控,。