5G基站中被美国垄断的“白纸”芯片FPGA

如果想快速了解一个芯片，最简单的方法就是考察它的功能和用途，但是这种方法并不适合FPGA。

如果你真的去查FPGA的应用场景，会得到一长串，比如:通信网络、物联网、信息安全、数据中心、人工智能、卫星导航、医疗器械、图像处理、视频编码、云计算、军工等等。

有些人可能发现一半就开始迷茫了，FPGA芯片的应用范围跨越了太多的行业。那么到底什么是FPGA芯片呢？

这是白纸。

如果把其他专用芯片比作不同风格的画，那么FPGA芯片就是白纸。我们可以在白纸上画出不同风格的画，这就是FPGA。

如果你是FPGA开发板，你在大学实验室的一天可能是这样的:

清晨，一群大二的学生走进了实验室。为了完成昨晚未完成的项目，他们匆忙开始调整相关硬件。最后他们完成了，FPGA开发板变成了音乐播放器。

中午，一群大三学生来到了实验室。他们打算参加省里的智能汽车比赛。这块FPGA开发板是他们借来测试智能车的代码的。

下午，实验室来了一个大四的学生，借走了这块FPGA开发板。不过，他是用来做毕业设计的。他想做一个电梯控制模块。

就这样，一天过去了。同样的FPGA开发板，早上是音乐播放器，中午是智能汽车，下午是电梯控制模块。只是每次刷入的代码不一样，FPGA芯片的功能完全不一样，这就是FPGA的神奇之处。

FPGA的特点

首先，灵活性是一大特点。和上面提到的“白皮书”一样，FPGA可以通过“刷代码”来改变用途和功能。

对于数据中心来说，很多机器都是租给不同的客户，所以硬件的用途经常会发生变化。这时候用FPGA做加速卡会非常方便。当设备用途发生变化时，FPGA端也可以同步变化。

尤其是在人工智能领域，优势更加明显。比如现在流行一种神经网络，也许过段时间另一种神经网络又会流行起来，算法会随着时间不断更新。在这种情况下，可能需要不断更换硬件，以最大限度地满足算法要求。而FPGA就方便多了，需要做调整的时候可以再刷进去，节省了时间，降低了成本。

除了FPGA的灵活性，另一大特点是并行性。如何理解排比？

比如周末做家务，用洗衣机洗衣服15分钟，洗菜5分钟，做饭20分钟。那么总共需要多长时间？如果按顺序做这些杂务，需要40分钟。但是我们可以发现，在洗衣机洗衣服的同时，我们可以同时做其他的杂务，这样我们只需要25分钟就可以完成这些杂务。

可见并行性可以大大提高效率，也正是因为如此，FPGA才能帮助CPU加快计算速度。

但值得注意的是，并不是所有的任务都适合并行。比如我们做饭前要洗碗，这两个任务不能并行完成。所以FPGA的加速往往是针对一个或者一类任务的，不会像CPU一样解决所有问题。

ASIC FPGA。

FPGA的全称是现场可编程逻辑门阵列，属于半定制电路。ASIC被称为专用集成电路。

其实两者都可以算是“白纸”，只不过我们在FPGA的“白纸”上画铅笔画，在设计制造ASIC芯片的时候我们在“白纸”上画水彩。

其实这两个都挺灵活的，但是对于ASIC来说，水彩画画完了也就是芯片做好了就没有修改的余地了空。FPGA的铅笔画可以擦除和重画。

另一方面，对于同一电路，在其他条件大致相等的情况下，ASIC的性能优于FPGA。就像水彩画比铅笔画色彩更丰富一样。所以，如果后期不需要改动某个电路，出于性能考虑，选择ASIC更合适。

当然，以上只是性能上的考虑，实际选择时还会有其他因素，比如成本。

ASIC的初期成本很高，对于一些高级工艺，一次流的成本可能直接上亿。FPGA的起步成本很低，淘宝上几百块包邮的价格就能买到相应的开发板。而且由于ASIC制造后无法更改，有可能因为设计不合理或者市场上相应产品反馈不佳，导致相关开发费用浪费。对于FPGA来说，这方面风险不大。如果设计有问题，可以以后再调整。即使项目规划出现问题，购买的FPGA芯片也可以再次出售或用于其他项目。另一方面，ASIC大规模生产后的边际成本很低，而基于FPGA设计的产品很难通过大规模生产获得边际成本红利。

比如今天想吃羊肉串，ASIC就像自助餐。入场费很高，但是进去之后吃三串和十串的成本差别不大。而FPGA就像一般的餐厅，基本上没有最低消费，想吃多少就吃多少。但是很少因为你点的多就给你打折。但是芯片总是要更新的，所以想吃羊肉串就腻了，然后可能就想吃排骨了。但是这个自助餐没有排骨。那怎么办呢？去另一家有排骨的自助餐厅再付钱。这是ASIC成本的特点。但是对于FPGA来说，在别的餐厅点菜还是可以的。反正没有最低消费。

所以对于一些中小公司来说，如果他们的产品对性能有一定的要求，需要相对先进的技术，他们根本负担不起一项先进技术的成本，所以只能选择FPGA。如果对他们产品的性能要求不是很高，可以选择技术成熟的ASIC，老技术的成本还是比较低的。

对于大公司，会具体情况具体讨论。如果目标产品需要经常更换，那么就用FPGA。如果目标产品只需要在开发初期频繁改动，但定型后不会修改，那么初期选择FPGA，定型后转向ASIC。如果一款芯片产品已经有了相当的开发经验，第二年才推出新机型，也有可能直接使用ASIC。

另一方面是开发周期。先进技术的成本非常高。除了成本高，它的开发周期也比较长。ASIC的制造工艺也比较耗时，所以有些公司为了让自己的产品更快上市，占领相应的市场，会选择FPGA。

国产FPGA

根据网络公开信息。

以2018年的数据为例。在全球FPGA市场，Xilinx、intel、Microsemi、Lattice占据了约96%的市场份额。这四家公司和排名第五的QuickLogic都是美国公司，在其他市场份额只有2%的公司中，也有一些美国公司。

国内的一些FPGA公司，如紫光同创、复旦微电子、高云半导体等还处于发展阶段，与国外一些先进的FPGA公司还有一定的差距。

技术差距

截取自Xilinx官网

截取自英特尔官网

Xilinx和intel，两者都提供了不同工艺的FPGA产品，以便更好地满足不同需求、不同预算的客户。其中Xilinx的FPGA产品目前采用了最先进的16nm工艺，而intel的是10nm。

拦截紫光同创官网

而国内FPGA厂商，以紫光同创为例，目前FPGA产品种类相对较少。目前他们的FPGA产品在官网采用的最先进的工艺是40nm。大约在今年3月，紫光同创发布了采用28nm工艺的Logos-2系列FPGA，但目前在官网的产品页面上并没有找到相关信息，只有公布的新闻信息。

截取自英特尔官网

另一方面，以英特尔的Stratix系列FPGA为例，其40nm产品Stratix IV于2008年推出，28nm产品Stratix V于2010年推出。

晋升的差距

至于FPGA产品，向学校以及企业推广是非常重要的。一般来说，FPGA厂商提供的不仅仅是FPGA芯片，而是包括EDA工具在内的相对完整的解决方案。厂商一般都有自己的EDA工具，比如Xilinx的Vivado，intel的QuartusII，紫光同创的PDS，都属于各个公司的FPGA软件工具。不同的软件，功能不同，使用习惯也不同。所以对于学校这些未来的FPGA工程师来说，习惯使用自己的EDA工具和芯片是非常重要的。

就像现在桌面操作系统有两大厂商，推出WINDOWS操作系统的微软，推出MAC操作系统的苹果。如果一个学生在学校经常使用WINDOWS系统，他也会倾向于在毕业后使用和购买配备WINDOWS系统的设备。如果你经常使用MAC系统，你也会倾向于购买苹果设备。

以清华大学为例。早在1994年，赛灵思就在中国大陆清华大学建立了第一个培训中心。

来自BOSS直聘的数据

在boss直聘中，清华大学招聘FPGA工程师的职位描述明确指出，需要熟悉Altera/Xilinx FPGA设计流程。

来自BOSS直聘的数据

来自BOSS直聘的数据

也有很多其他公司在招聘FPGA工程师时明确要求掌握intel/Xilinx的设计流程，也有少数公司要求掌握Lattice的设计流程。可以看出intel和Xilinx的推广是比较成功的，紫光同创其实也在往这个方向努力。

从第七届大学生集成电路设计与应用创新大赛的名称说起

以2017年第七届大学生集成电路设计与应用创新大赛紫光同创企业杯为例。在紫光同创企业杯的各种竞赛题中，会有一个设计要求:用紫光同创Titan系列FPGA进行设计。紫光同创就是这样推广产品的。

这样可以让一些相关专业的大学生在毕业前获得紫光FPGA的开发经验，开始熟悉紫光FPGA的开发流程。但这种推广反馈给企业的效果，还需要时间来检验。

挑战

由于美国的出口管制实体名单，以及美国一系列政策的出台，许多中国企业开始了“国内替代”的事业。尤其是对于FPGA这种被美国公司高度垄断的市场，国产替代的重要性不言而喻。对于紫光同创、复旦微电子、高云半导体等国内FPGA厂商来说，这是一个机会。目前国内FPGA厂商的FPGA芯片和EDA工具与美国厂商还有一定的差距，所以国内厂商的FPGA产品还不能完全替代美国的FPGA产品。追赶这些差距对于国内FPGA厂商来说也是一个不小的挑战。

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