FPGA在各行業的應用分析

FPGA發明後，在這個行業裡面曾經出現過不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，經過十幾年的厮殺，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，但這兩個廠家還在這個行業。現在國際上的主流廠家實際隻剩xilinx，altera（intel），lattice和microsemi四家。而前兩者是絕對的霸主，占據市場總份額的近90%，處在第一陣營。後兩者份額在百分之十左右，處在第二陣營，但和第一陣營差距非常大。與國際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國内陸續誕生了一些FPGA設計公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場佔有率及技術方面和國際巨頭差距非常大，還遠未達到挑戰領先巨頭的實力，後面會對國内廠家做些分析。

下面再來簡要介紹FPGA設計，這裡的FPGA設計不是研發FPGA晶片，而是用FPGA做産品設計。業界普遍認為FPGA設計門檻很高，相對軟體設計，差别在哪呢？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，這個方式更接近硬體搭積木，但大規模的設計無法完成）。用matlab，C語言做算法設計，然後通過工具直接轉化為verilog的方式，喊了十幾年，到現在還未成為主流，說明工具在轉化verilog方面其效果還不如有經驗的FPGA人員寫的代碼。Verilog語言本身非常簡單，但FPGA設計的難點并不在語言，而是對FPGA器件内部資源和硬體的熟悉，你寫的語言能和你使用的目标器件高效的配合起來，使它的效果、使用率以及程式的可讀性達到最優，這個難度就非常大了。筆者曾經牽頭編寫了某大型公司整個無線産品的coding style，有近200條規定，這些規定是幾十個FPGA開發人員多年經驗的積累，不按這個來，随時可能是個坑。好的coding style，不僅程式寫得很美觀，可讀性好，也不容易出bug。一般來說，要成為一個有經驗的FPGA設計人員，起碼得從事相關工作5年以上，經曆過3個以上大型項目的鍛煉，而且需要有高手帶。筆者曾經面試過的大量的FPGA開發人員，基本上從研究所、小公司或者小團隊出來的，盡管有些工作了很多年，其底子也不是太好（這裡沒有歧視研究所和小公司的意思，術業有專攻而已）。是以，如果想在FPGA設計領域做得很深入，國内著名通信裝置廠家絕對是最好的選擇，沒有之一。當然，如果有IC設計經驗的人，轉為FPGA開發，則會快很多，而且基本功也很紮實，但需要補充行業、系統經驗。

FPGA從誕生起，就注定和ASIC站在不同的陣營。ASIC是固化好的晶片，不可以進行硬體程式設計（上面跑軟體的不屬于硬體程式設計）而随意改變硬體結構，而FPGA則可以根據設計者的需要改變硬體結構。是以，從靈活性來說，FPGA遠強于ASIC晶片，而且FPGA開發周期也比ASIC要短，是以在有些領域或者場景下，FPGA比ASIC有優勢，比如通信領域，協定标準還不成熟時，各個廠家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出産品，而且高度靈活滿足了非标準接口的開發。再比如工業領域，很多功能也可能是非标的，很難找到合适的ASIC晶片，這時FPGA也是很好的選擇。但是FPGA也有它的弱點，為了保證靈活性，晶片裡面預留了可配置邏輯，即相對ASIC增加了備援的面積，這樣既增加了成本也增加了功耗，這就決定了在有些領域裡面它很難競争過ASIC，比如終端産品，它對低功耗要求比較高。在标準化的産品、功能裡面，它不需要那麼靈活，這也不是FPGA的菜。因為終端産品量非常大，而且這個世界上大部分東西都是有共性的，即可以标準、通用的可能性大，是以，FPGA在整個晶片行業占比總體來說比較小。這些年FPGA總體市場規模在40億美金左右（加上CPLD大概在50多億美金），而2016年全球晶片市場規模大概在4000億美金左右。

總體來說，由于FPGA本身的特點，決定了它不是在每個行業、産品都适合應用，标準化的，功耗要求很嚴格的，單價很低的産品都不适合，而這些恰恰是電子産品中占比大的，事實上，FPGA用得比較多的行業主要有通信、工業控制、醫療裝置、及高端安防等，以及航天和軍工（可靠性要求高，但量不大），未來可能資料中心和AI會是一個爆發點，後面會做分析。

在晶片應用行業，計算機和通訊是最大的兩個領域，而對于FPGA來說，應用的第一大領域是通訊而不是計算機。PC機雖然數量及其巨大，但PC機裡面沒有FPGA晶片，原因是PC機是一個高度标準化的産品，是以PC機裡面所有晶片用ASIC實作不僅可行，而且是經濟的。而伺服器、大型機裡面開始逐漸在使用FPGA，主要用于大資料的協處理，目前量還不大，遠遠無法和通信産品使用的FPGA相比，但未來潛力很大，後面會做進一步介紹。

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通信産品可以從雲、管、端層面來劃分，端不大适合使用FPGA，如前所述，因為FPGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時間吵得沸沸揚揚的lattice FPGA晶片用于三星和蘋果7的手機案例，實屬特例，千萬不要認為未來FPGA能大規模進軍消費電子，進而使得FPGA市場規模将成倍甚至數十倍的增加，至少短期内可能性不大。

通信行業講的雲主要包括核心網及各種伺服器中心，在大資料和雲計算沒有規模應用之前，核心網裝置裡面基本沒有FPGA，因為核心網所處理的協定其實非常标準化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即将到來的5G，其标準的核心部分實際上主要展現在實體層和邏輯層，而這些功能主要在管道（基站、基站控制、承載、傳輸等産品）中實作，這些标準變化快，各裝置廠家為了搶占産品和技術的制高點，甚至在标準還未當機之前就推出原型樣機甚至小批量，而這隻有FPGA能做到。一般來講越往終端側靠近，裝置的數量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網側用的FPGA數量越少，但FPGA晶片的型号越高端，單片更貴。考慮量、價因素，最終還是基站側用的FPGA總價高。

為什麼是基站（也可以說是管道）最适合用FPGA，而且總價最高。首先因為基站的量非常大，基站雖然和手機的量沒法比，但遠多于核心網數量，據不完全統計，全球存量基站有數千萬（5G部署後，可能會輕松破億），每個基站裡面有數塊到10數塊闆子（根據配置不同而不同），除了電源和風扇闆子沒有FPGA晶片外，幾乎每塊闆子都有FPGA晶片，有的還不止一顆。其次，基站裡面用的FPGA型号也不會太低端，因為要處理複雜的實體協定、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個重要的考慮。一般來講，基站中的晶片價格在一百到數千元人民币不等。價格過高比如幾千甚至上萬人民币的晶片，最多在初期原型驗證用，不會大規模發貨。最後，基站主要負責實作通信協定中實體層、邏輯鍊路層的協定部分，這部分内容每年都在更新，而且也比較适合FPGA來實作，尤其是協定未完全當機時，最适合FPGA來處理，因為可以通過更新FPGA版本來應對協定變動，待協定完全當機後，各裝置廠家會逐漸以ASIC來替代之前的FPGA，因為量達到一定程度後，ASIC的成本和功耗優勢就展現出來了，而且大型裝置商的ASIC化能力又非常強，是以FPGA在通信領域主要在初、中期應用比例高，後期能被替代的都被ASIC替代了，隻留下一些接口類的FPGA，這也是FPGA廠商必須要面對的一個現實。

除了通信領域，FPGA在安防和工業領域也存在大量應用。在安防領域，視訊的編解碼比如MPEG和H.26x等協定基本由專用ASIC實作，但是前端的資料采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來處理，因為安防也是一個巨大的産業，是以，FPGA的用量也是非常可觀的。工業領域主要用FPGA的靈活性來做控制，而且主要是規模比較小的FPGA。此外，軍工和航天也是FPGA應用的一個重要領域，軍工和航天對FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有軍工産品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工藝（一次程式設計，可以更好的抗幹擾和抗輻射等）FPGA因其高可靠性，主要用于軍工航天産品。