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FPGA市场现状 FPGA的技术发展 市场发展

FPGA

现状及发展趋势

FPGA市场现状

FPGA市场前景诱人,行业技术壁垒较高。过去十多年时间里,英特尔、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域, 除英特尔以167亿美元收购Altera成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。


正是因此,全球FPGA市场基本被美国“2大2小”四家公司垄断。国内FPGA厂商大多处于比较艰难的发展阶段,市场份额很低。除了市场份额低之外,国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距也很大。 FPGA技术门槛非常高,核心技术只掌握在及其少数的公司手上,而且英特尔和Xilinx掌握约有6000多项专利,对后进者形成很高的技术壁垒。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势,但基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的,有一些是逆向工程的产物,或商业收购的结果。

从技术角度

国内半导体产业链的不断成熟完善,以及芯片设计能力的不断加强,我们自己可以自主设计和流片ARM架构的手机CPU,并成功实现商业化,这在10年前都不敢相信。在我们在过去积累的技术沉淀和创新能力,已经使得我们在FPGA的特定应用领域(通讯)实现一定程度上的自我供给。未来也可能类似于CPU+FPGA用于云数据中心,这些应用领域都是信息高度敏感的地方,使用自主设计的芯片更能实现安全可控。

从应用领域

FPGA的应用领域最初为通信领域,但目前,随着信息产业和微电子技术的发展,可编程逻辑嵌入式系统设计技术已经成为信息产业最热门的技术之一,应用范围遍及人工智能、数据中心、医疗、通讯、5G、安防、汽车电子、工业等多个热门领域。并随着工艺的进步和技术的发展,向更多、更广泛的应用领域扩展。越来越多的设计也开始以ASIC转向FPGA,FPGA正以各种电子产品的形式进入我们日常生活的各个角落。

FPGA的技术发展

FPGA技术4个主要的发展方向
01
基于FPGA的嵌入式系统(SOPC)技术正在成熟

System on Chip(SoC)技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用,而SOPC技术是SoC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案,而英特尔提供的是基于NIOSII的软核解决方案。


英特尔公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案,可以让客户短时间完成SOPC系统的构建和调试工作。


02
FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展

随着芯片生产工艺不断提高,FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。早期的FPGA主要是完成接口逻辑设计,比如AD/DA和DSP的粘合逻辑。现在的FPGA正在成为电路的核心部件,完成关键功能。


在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面,FPGA已经取代了专用的DSP芯片,成为最佳的实现方案。因此,高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。


随着FPGA性能和密度的提高,功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低,但是要明显高于专用芯片(ASIC)的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗,并且已经取得了明显的效果。

03
基于IP库的设计方法

未来的FPGA芯片密度不断提高,传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多,商业化的IP库种类会越来越全面,支持的FPGA器件也会越来广泛。作为FPGA的设计者,主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源,然后将这些IP整合起来,完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是通过验证的,因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计的正确性。


04
FPGA的动态可重构技术

FPGA动态重构技术主要是指对于特定结构的FPGA芯片,在一定的控制逻辑的驱动下,对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换,从而实现硬件的时分复用,节省逻辑资源。

由于密度不断提高,FPGA能实现的功能也越来越复杂。FPGA全部逻辑配置一次的需要的时间也变长了,降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”,大大提高了配置的效率。


市场发展

随着应用场景对FPGA的需求持续提升,再加上5G、人工智能、大数据、自动驾驶、物联网的发展推动中国FPGA市场扩张,刺激增量需求释放,从行业发展趋势来看,FPGA潜力被严重低估,未来大有可为。


对于人工智能而言,算法正处于快速迭代中。虽然ASIC芯片可以获得最优的性能,即面积利用率高、速度快、功耗低;但是AISC开发风险极大,需要有足够大的市场来保证成本价格,而且从研发到市场的周期很长,不适合例如深度学习、CNN等算法正在快速迭代的领域。FPGA正好能适用于人工智能领域,满足高速并行计算的需求,基于全球人工智能市场大热,这也刺激了FPGA的市场,有利于FPGA产业的发展。