如今全球正經(jīng)歷一場數(shù)字化的轉型，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、人工智能等技術的興起，大量的數(shù)據(jù)和計算能力需求也引發(fā)基礎架構的變革。

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)和云計算領域不能再落后。

第二、FPGA在云計算、大數(shù)據(jù)領域將深入應用。Intel此次與Altera合作，將開放Intel處理器的內部接口，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)領域將替代高價值、批量相對較小（5萬片以下）、多通道計算的專用設備替代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、語音轉錄、加密和文本搜索等）。設計開發(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架構設計遇到了瓶頸而，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。

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)運算領域效率大大超過CPU，所以FPGA在整數(shù)運算領域的加速優(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)領域的機會。之前FPGA的主要作用之一是用于原型設計，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、硬件結構可變、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域優(yōu)勢，以及可編程特性在物聯(lián)網(wǎng)領域可以對傳統(tǒng)的ASIC方案進行優(yōu)化。

在安防監(jiān)控領域，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的解決方案在設計時間上可以進行調整和更新，在運行時可以重配置——它能夠實現(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在安防領域的優(yōu)勢。

在工業(yè)智能化領域，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)關端有強大的優(yōu)勢，加上跟終端的控制結合，則優(yōu)勢會大大增加。

在智能家居領域，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的大提速。目前看演示的機器視覺技術，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)領域擁有頂級裝備了。

1.4、設計成本高和開發(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、配置器件內部連接結構和邏輯單元，完成既定設計功能的數(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，而不是替換和設計芯片（設計和時間成本巨大），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，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內部其實并沒有所謂的“計算”，最終結果幾乎是類似于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、功耗和編程設計

去年9月，我們曾與國內一線IC設計師對FPGA的未來發(fā)展進入深入交流。總結來下，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，這些領域對低功耗要求不高。

編程設計。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，編程設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、半導體領域最高毛利率和最高增速

FPGA廠商在半導體領域享有最高的毛利率。2010年根據(jù)半導體公司調查，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，下游客戶轉換成本非常高。具體來看，體現(xiàn)在產(chǎn)品的差異化、基礎架構和生態(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，具有法律約束（專利組合和版權），在每個工藝節(jié)點率先產(chǎn)品上市?；A架構方面，不同供應商提供自己特殊的IP組合，用戶會對某些設計架構產(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。“只要能在FPGA上設計的，就用FPGA進行設計””。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。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?！逼渲?，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，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FPGA多用于的通訊、軍工、航空航天等領域，產(chǎn)量占全球比重極低。

3.5、對中國的機會：市場在中國、技術在發(fā)展

FPGA說的這么好，和中國廠商由于什么關系？畢竟沉淀幾十年的核心技術都在美國，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的技術未必比別人落后太多。

我們曾與國內一線IC設計師深入交流，一個重要的結論是芯片的自主設計是實現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關的基礎芯片（手機芯片、PC處理器等）需要實現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術強國也沒有掌握到核心技術。

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FPGA自制的契機。目前，國內生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領域。

在民用領域，國內是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，從技術角度來說，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術。國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設計能力的不斷加強，我們自己可以自主設計和流片ARM架構的手機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沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應用領域（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，這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現(xiàn)安全可控。