FPGA市場的競爭正在發(fā)生變化，其中最引人矚目的趨勢就是應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA的應(yīng)用很大程度受到通信市場主導(dǎo)，但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、智能汽車以及物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的發(fā)展，對FPGA的需求大增，F(xiàn)PGA的市場格局正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。同時，這也為苦苦尋求突破口的中國FPGA廠商提供了一個難得的發(fā)展機會。在近日召開的“第六屆（2018）中國FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”上，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會常務(wù)副秘書長宮承和指出，當(dāng)前FPGA領(lǐng)域存在著行業(yè)集中度高，后發(fā)者進入困難等問題。我國正在推進制造強國和網(wǎng)絡(luò)強國的建設(shè)，如何發(fā)展自主可控的FPGA產(chǎn)業(yè)，是留給半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)者必須面對和思考解決的問題。
從云端到邊緣 AI推動FPGA應(yīng)用拓展
近年來FPGA最引人關(guān)注的變化趨勢之一就是應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。通信、工控等是FPGA傳統(tǒng)的應(yīng)用市場，然而近年來隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展，F(xiàn)PGA開始向新領(lǐng)域擴展。
微軟亞洲研究院異構(gòu)計算組副研究員張宸指出：“這些年人工智能的崛起，依靠的是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法大型多層的網(wǎng)絡(luò)模型，典型的有循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表。這樣的模型一次推斷（inference）通常需要數(shù)十億甚至上百億次的運算，而在線的服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間在毫秒量級。這就意味著每秒上萬億次（TFLOPS）甚至百萬億次的運算性能，同時對器件的體積、功耗還有一定的約束。這使得我們期待數(shù)據(jù)中心的高性能計算硬件應(yīng)當(dāng)具備如下優(yōu)勢：低延遲，低開銷和規(guī)模化。在數(shù)據(jù)中心，F(xiàn)PGA 相比 GPU 的核心優(yōu)勢在于低延遲，使用 FPGA 來加速的話，只需要微秒級的 PCIe 延遲（微軟現(xiàn)在的 FPGA 是作為一塊 PCIe 加速卡），對通信密集型任務(wù)，F(xiàn)PGA 相比 CPU、GPU 的優(yōu)勢就更大了。”時至今日，微軟已經(jīng)在數(shù)十萬臺云服務(wù)器上部署了 FPGA 。微軟目前也是在數(shù)據(jù)中心的 FPGA 應(yīng)用上投入最大的互聯(lián)網(wǎng)公司。
快速興起的網(wǎng)絡(luò)邊緣計算對于FPGA的應(yīng)用需求也在增加。萊迪思半導(dǎo)體亞太區(qū)資深事業(yè)發(fā)展經(jīng)理陳英仁表示：“受延遲、隱私和帶寬限制的驅(qū)動，F(xiàn)PGA正在被越來越多布署于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，超低功耗靈活推理的需求亟待滿足。”Semico Research市場研究公司的數(shù)據(jù)顯示，使用人工智能的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備數(shù)量將以110％的復(fù)合年增長率爆發(fā)式增長。
高云半導(dǎo)體市場副總裁黃俊將新興市場劃分為三個部分：首先在以消費電子為代表的智能終端設(shè)備中，接口越來越豐富，同時又需要保持小體積和低功耗，這就要求底層器件可以更靈活地支持接口轉(zhuǎn)換與膠合邏輯，使得低密度FPGA有了更多用武之地。其次，越來越多的AI運算開始在邊緣計算領(lǐng)域執(zhí)行，比如音視頻的采集和預(yù)處理，它們需要支持簡單或中等復(fù)雜度的算法和IP，這又給了中低密度FPGA 以機會。最后，云端需要支持高速SerDes，高速FPGA正在成為必需。
概括而言，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、ADAS、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、可穿戴設(shè)備，5G通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換、工業(yè)控制、金融設(shè)備、安防監(jiān)控、視頻驅(qū)動、醫(yī)療儀器、汽車電子、家用電器、信息安全等都將是未來FPGA的重要應(yīng)用市場。2017年全球FPGA規(guī)模市場約為50億美元。而日前高盛發(fā)布的報告中，預(yù)測未來5年FPGA市場規(guī)模將達到100億美元，到2025年將增長到120億美元。
從技術(shù)到品牌 國產(chǎn)FPGA追趕空間巨大
FPGA一直是個高度壟斷的行業(yè)，賽靈思、英特爾（Altera）、微芯（Microsemi）和萊迪思幾家美國企業(yè)壟斷了全球絕大部分市場。盡管理論上新興市場的出現(xiàn)，給新進入者帶來更多發(fā)展機會，但是在實際操作過程中面臨的挑戰(zhàn)依舊很大。
“有些新興市場可望未必可及，特別是對于高密度、高性能的FPGA而言，不僅硬件設(shè)計難度大，中國企業(yè)在硬核IP資源上也存在滯后，軟核IP儲備欠缺，軟件性能與國外廠家差距也很大。”黃俊指出。
京微齊力CEO王海力也認(rèn)為，從產(chǎn)品本身的水準(zhǔn)來看，中國企業(yè)想要發(fā)展起來還有很長的路要走。“五年的時間算少，多的可能需要8到10年。”王海力說。
除了技術(shù)上的差距之外，品牌認(rèn)知上的差距也非常明顯。“中興事件只是在大環(huán)境上給了國內(nèi)公司一些觸動，使它們認(rèn)識到供應(yīng)鏈管控的重要性。可是落實到具體產(chǎn)品中的時候，國內(nèi)供應(yīng)商遇到的困難還是很多，客戶對于國內(nèi)企業(yè)的品牌認(rèn)可度不高，擔(dān)心是否可以持續(xù)供貨等，甚至對于產(chǎn)品設(shè)計工具的學(xué)習(xí)都有一個過程。方方面面加起來，發(fā)展國產(chǎn)FPGA，覺得壓力還是非常大的。”黃俊表示。
從差異化競爭到自主可控 FPGA 3.0時代需要長期努力
那么如何才能實現(xiàn)國產(chǎn)FPGA的突破呢？黃俊認(rèn)為，差異化是中國FPGA企業(yè)的必走之路。“國內(nèi)廠商應(yīng)該根據(jù)芯片本身的特點以及行業(yè)進入的難度出發(fā)，從小處著眼，從低密度FPGA產(chǎn)品開始突破，逐漸向中高密度FPGA發(fā)展。總之，我們不能簡單復(fù)制國外產(chǎn)品，而要仔細(xì)研究細(xì)分市場，新產(chǎn)品有什么特殊的需要，然后對我們產(chǎn)品局部特性進行優(yōu)化，以適應(yīng)用戶需求。比如現(xiàn)在很多智能設(shè)備的視頻采集都會要求有高速接口，我們就在芯片上把高速MIPI做好，相比其他產(chǎn)品在同等密度下速度更快，同時我們也會做更多類似的參考設(shè)計，使應(yīng)用更加便捷。這些都是差異化的例子。”黃俊說。
建立自主的產(chǎn)業(yè)生態(tài)也非常重要。王海力指出：“國外公司的專利技術(shù)中50%以上是保護核心架構(gòu)的專利。中國企業(yè)在發(fā)展過程中也應(yīng)重視，用戶易用、友好、支持面向應(yīng)用軟IP庫以及成熟的EDA工具性能，是產(chǎn)品落地的重要一環(huán)。”
無論是差異化的市場策略，還是產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的建立，都是中國FPGA發(fā)展過程中的必修課。而只有逐步建立起自主可控+自主創(chuàng)新FPGA產(chǎn)品體系，首先體現(xiàn)在具備自主研發(fā)可編程邏輯器件核心架構(gòu)的能力上，其次體現(xiàn)在具備自主研發(fā)FPGA器件配套軟件工具的能力上，中國FPGA才算真正立足。這是中國FPGA發(fā)展的關(guān)鍵。
根據(jù)王海力的觀點，中國FPGA產(chǎn)業(yè)大致可以劃分為四個階段：從上世紀(jì)90年代到2005年，可以算做中國FPGA的Pre-1.0時代。那時的中國FPGA產(chǎn)業(yè)剛剛起步，只能以反向設(shè)計為主，芯片設(shè)計/軟件開發(fā)人員只有百余人，沒有自己的架構(gòu)，工藝落后，沒有軟件工具和應(yīng)用開發(fā)人才，只能逐步探索前進。經(jīng)過從無到有的積累，2006年到2016年中國FPGA產(chǎn)業(yè)進入1.0時代。中國FPGA擁有幾百人的芯片設(shè)計/軟件開發(fā)隊伍，有了自己的架構(gòu)雛形，使用一般的工藝，擁用基礎(chǔ)的軟件工具和基礎(chǔ)的應(yīng)用軟IP，有能力進行正向設(shè)計，開始培養(yǎng)國產(chǎn)FPGA的應(yīng)用人才。
而現(xiàn)在正處于中國FPGA發(fā)展2.0時代，大約會是2017年到2025年。這一個從有到好的發(fā)展時期。中國FPGA產(chǎn)業(yè)已經(jīng)擁有上千名的芯片設(shè)計/軟件開發(fā)人員。經(jīng)過努力將有可能形成完備的架構(gòu)設(shè)計，擁有采用先進工藝的能力，好用的軟件工具，具備一部分行業(yè)軟IP及解決方案，形成完備的正向設(shè)計，開始逐漸建立FPGA應(yīng)用生態(tài)圈，并形成上千人的國產(chǎn)FPGA開發(fā)的應(yīng)用人才隊伍。
至于3.0時代（2026年2035年）將是中國FPGA從好到強的發(fā)展階段：形成數(shù)千人的芯片設(shè)計/軟件開發(fā)人員隊伍，采用創(chuàng)新架構(gòu)設(shè)計和最先進制造工藝，具有領(lǐng)先的軟件工具，完備的行業(yè)軟IP及解決方案，形成相對完整的FPGA應(yīng)用生態(tài)圈，國產(chǎn)FPGA開發(fā)的應(yīng)用人才達到數(shù)萬人。
希望中國FPGA產(chǎn)業(yè)能夠早日實現(xiàn)騰飛。