2021年瑞薩收購(gòu)Dialog并進(jìn)入FPGA市場(chǎng)，主打低于5000邏輯門(mén)的應(yīng)用，如果說(shuō)彼時(shí)FPGA市場(chǎng)尚未引起轟動(dòng)，那么2022年AMD以500億美元收購(gòu)賽靈思的熱度徹底將FPGA推向了風(fēng)口浪尖。

　　3月25日，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體公司成都華微電子申請(qǐng)科創(chuàng)板上市被受理。成都華微的招股書(shū)顯示公司從2018年到2021年的前三季度FPGA銷(xiāo)量分別為1.05萬(wàn)顆、1.70萬(wàn)顆、3.00萬(wàn)顆和2.41萬(wàn)顆，銷(xiāo)售單價(jià)分別為2509.66 元、2527.89元、2369.17元和3489.77元。量?jī)r(jià)齊飛的數(shù)據(jù)再次展現(xiàn)了FPGA市場(chǎng)的火熱。

　　那么FPGA市場(chǎng)為何被國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體公司看好?而在FPGA火熱的當(dāng)下，常被拿來(lái)與FPGA比較的ASIC芯片是否已經(jīng)成為時(shí)代的眼淚?

　　FPGA為何火熱?

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 是具有可編程硬件結(jié)構(gòu)的集成電路。FPGA內(nèi)部的電路旨在實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，并且可以根據(jù)需要重新編程以執(zhí)行這些功能。因此，就靈活性和快速上市時(shí)間而言，F(xiàn)PGA通常是絕佳的選擇。

　　FPGA可以在制造后由用戶(hù)編程用于特定用途。FPGA包含通過(guò)可編程互連連接的自適應(yīng)邏輯模塊 (ALM) 和邏輯元件(LE)。這些塊創(chuàng)建了邏輯門(mén)的物理陣列，可以定制以執(zhí)行特定的計(jì)算任務(wù)。

　　FPGA可以用于從計(jì)算機(jī)或服務(wù)器中的硬件加速，去處理重復(fù)性和計(jì)算密集型任務(wù)。SmartNIC是一種特定類(lèi)型的FPGA應(yīng)用程序，它允許對(duì)數(shù)據(jù)包執(zhí)行高級(jí)操作，例如隧道終止、對(duì)數(shù)據(jù)包應(yīng)用復(fù)雜的流分類(lèi)和過(guò)濾機(jī)制、計(jì)量和整形。這些功能通常由CPU執(zhí)行，但SmartNIC允許卸載它們，從而釋放服務(wù)器資源以專(zhuān)注于其主要任務(wù)。

　　標(biāo)準(zhǔn)CPU的主要制造商正在通過(guò)收購(gòu)專(zhuān)門(mén)從事FPGA的公司來(lái)擴(kuò)展其產(chǎn)品組合。2015 年，英特爾收購(gòu)了美國(guó)可編程邏輯器件 (PLD) 制造商Altera，微軟已經(jīng)將英特爾FPGA的多功能性用于加速AI。去年AMD收購(gòu)了發(fā)明FPGA架構(gòu)的公司Xilinx，讓業(yè)界看到CPU巨頭對(duì)FPGA的重視。

　　FPGA的最大賣(mài)點(diǎn)是FPGA可以由客戶(hù)在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制和編程。它們不需要一次性工程費(fèi)用 (NRE)，并且可以幫助創(chuàng)新者極快地進(jìn)入市場(chǎng)。這使得FPGA 成為在快速變化的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)差異化的絕佳選擇。

　　國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體入局FPGA

　　1985年Xilinx創(chuàng)造了FPGA芯片，隨后Xilinx、Altera、Lattice等公司通過(guò)近9000項(xiàng)專(zhuān)利建立出對(duì)FPGA的絕對(duì)壟斷。目前全球FPGA市場(chǎng)由四大巨頭AMD(Xilinx)、英特爾、Lattice、Microsemi壟斷，四大廠商的市場(chǎng)占有率達(dá)到了96%。

　　中國(guó)FPGA市場(chǎng)從2016年的約65.5億元增長(zhǎng)至2020年的150.3億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為23.1%。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約332.2億元。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)FPGA的廠商包括紫光國(guó)微、復(fù)旦微電子、成都華微、安路科技、高云半導(dǎo)體、易靈思等。

　　紫光國(guó)微參股子公司紫光同創(chuàng)專(zhuān)業(yè)從事包括FPGA在內(nèi)的可編程邏輯器件業(yè)務(wù)，中小規(guī)模FPGA多款產(chǎn)品逐步成熟、穩(wěn)步上量發(fā)貨，在視頻圖像處理、工控和消費(fèi)市場(chǎng)領(lǐng)域取得應(yīng)用。同時(shí)公司也在開(kāi)發(fā)大規(guī)模FPGA。

　　復(fù)旦微是國(guó)內(nèi)最早推出億門(mén)級(jí)FPGA產(chǎn)品的廠商，2021年全年復(fù)旦微FPGA全年?duì)I收4.3億元，同比增長(zhǎng)109.49%，毛利率高達(dá)85%，目前復(fù)旦微正在研發(fā)14/16nm工藝制程的10億門(mén)級(jí)產(chǎn)品。

　　開(kāi)篇所說(shuō)的成都華微擬通過(guò)IPO募集2.2億用于在千萬(wàn)門(mén)級(jí)高性能 FPGA 的研發(fā)，以及對(duì) 28nm 及以下先進(jìn)工藝，億門(mén)級(jí)超大容量 FPGA 進(jìn)行預(yù)研究、預(yù)設(shè)計(jì)、預(yù)開(kāi)發(fā)等工作。

　　安路科技在2021年上市，目前已經(jīng)建立其高性?xún)r(jià)比系列、低功耗系列、高性能系列矩陣，產(chǎn)品覆蓋網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。

　　高云半導(dǎo)體的FPGA在車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品上取得一定突破，已有數(shù)款 FPGA 通過(guò)車(chē)規(guī)認(rèn)證，并在諸多國(guó)內(nèi)外著名車(chē)企的數(shù)十款車(chē)中批量出貨。

　　此外易靈思的FPGA產(chǎn)品也已經(jīng)在熱成像相機(jī)、工控、顯示等領(lǐng)域被采用，也推出了車(chē)規(guī)級(jí)FPGA產(chǎn)品。

　　可以看到國(guó)內(nèi)涉足FPGA的半導(dǎo)體廠商不少，而有潛力的市場(chǎng)也讓一些廠商得到資本市場(chǎng)的助力。正在IPO的成都華微與已經(jīng)上市的安路科技均是華大半導(dǎo)體控股的公司，足以見(jiàn)得國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也對(duì)FPGA這條賽道充滿(mǎn)信心。但這是否就意味著ASIC失去活力了呢?

　　被“冷落”的ASIC芯片

　　專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 是為特定功能而專(zhuān)門(mén)構(gòu)建和批量生產(chǎn)的。與 FPGA 不同，它們不能重新編程，并且需要大量的 NRE 投資。使用基于標(biāo)準(zhǔn)單元的 ASIC，必須定制集成電路的每一層。這需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和軟件工具來(lái)設(shè)計(jì)預(yù)期功能，并在測(cè)試設(shè)計(jì) (DFT) 架構(gòu)開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行大量投資，以確保設(shè)計(jì)可制造并具有良好的質(zhì)量。

　　但ASIC也有著其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。一個(gè) ASIC 比 PC 板上的多個(gè)互連標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品要小。尺寸的可變性允許芯片根據(jù)需要盡可能小或大。由于其較小的物理尺寸，與標(biāo)準(zhǔn)組件的集合相比，ASIC 設(shè)備可以使用更少的電力。此外，ASIC 僅包含應(yīng)用所需的電路，因此，由于微型尺寸和功率要求，芯片效率更高。隨著新功能的成熟，強(qiáng)化集成電路設(shè)計(jì)會(huì)更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

　　除了尺寸、功率和性能之外，ASIC 芯片還為使用者提供 IP 保護(hù)，這與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不同，每個(gè)用戶(hù)可以擁有自己獨(dú)一無(wú)二的芯片，更容易將自己與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)。

　　雖然開(kāi)發(fā) ASIC 需要初始投資較高，但這項(xiàng)投資的回報(bào)非常高。除了可能的性能增強(qiáng)外，使用 ASIC 的產(chǎn)品需要的電子元件更少，而且組裝成本更低。擁有更少的零件意味著更高的整體可靠性。ASIC 可以在單個(gè)芯片上容納許多不同的系統(tǒng)，因此，在組裝最終產(chǎn)品時(shí)，需要接觸到的供應(yīng)商要少得多，許多零件的產(chǎn)品的采購(gòu)和生產(chǎn)計(jì)劃將減少。

　　ASIC的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛包括醫(yī)療、工業(yè)、軍事、航空等領(lǐng)域。其中虛擬幣是主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于GPU、FPGA來(lái)說(shuō)ASIC的能效更高。

　　Research and Markets的報(bào)告顯示2018 年全球 ASIC 芯片市場(chǎng)規(guī)模為 148.7 億美元，到 2025 年，全球 ASIC 芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 247 億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)以 8.2% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。從數(shù)據(jù)上可以看到，其實(shí)ASIC芯片的市場(chǎng)規(guī)模并不小。據(jù)比特大陸招股書(shū)顯示算圍繞其ASIC芯片及相關(guān)業(yè)務(wù)，在2018年收入達(dá)到28.46億美元。不過(guò)由于虛擬幣“挖礦”在中國(guó)受到限制全球ASIC市場(chǎng)規(guī)模增速或許會(huì)小幅度放緩。

　　FPGA 與ASIC，各有裨益

　　ASIC芯片的缺點(diǎn)也很明顯。因?yàn)锳SIC芯片是針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，芯片能處理的算法是單一的，當(dāng)算法發(fā)生變化之后，針對(duì)之前的算法設(shè)計(jì)的ASIC芯片無(wú)法作出相應(yīng)更新，那么它的效能就會(huì)大打折扣。

　　特別是在AI、服務(wù)器這類(lèi)領(lǐng)域，在各種算法不斷迭代的情況下，ASIC芯片的特性反而成為了它的累贅。一款芯片生產(chǎn)需要耗費(fèi)的除了金錢(qián)成本還有時(shí)間成本，即使是“不差錢(qián)”的頭部公司也不會(huì)為了每次更新耗費(fèi)時(shí)間、人力設(shè)計(jì)ASIC芯片。畢竟搶占市場(chǎng)，能否最快速度的讓前沿技術(shù)商用化也是衡量一家科技公司實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。這就是為何無(wú)論是AMD還是英特爾都在FPGA領(lǐng)域發(fā)力的重要原因。

　　通過(guò)對(duì)比FPGA與ASIC的性能，我們可以發(fā)現(xiàn)。其實(shí)ASIC與FPGA之間的關(guān)系并不是誰(shuí)取代誰(shuí)，更多的是在不同領(lǐng)域各自發(fā)力。

　　因?yàn)榧夹g(shù)總會(huì)在不斷的發(fā)展，在面對(duì)一個(gè)新的技術(shù)和應(yīng)用的時(shí)候，算法會(huì)不斷的進(jìn)行快速升級(jí)，在這種情況下FPGA會(huì)更為合適。而對(duì)于那些軟件、算法已經(jīng)相對(duì)成熟和穩(wěn)定的領(lǐng)域，ASIC的性?xún)r(jià)比就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，ASIC的NRE是150 萬(wàn)美元但單位成本只需要4 美元而FPGA的NRE是0美元但FPGA單位成本可能達(dá)到8 美元，是ASIC的兩倍。

　　在這樣的情況下，ASIC項(xiàng)目與FPGA項(xiàng)目存在一個(gè)平衡點(diǎn)，雖然ASIC項(xiàng)目需要150萬(wàn)美元的NRE，但與 FPGA 相比在40萬(wàn)個(gè)單位的數(shù)量之后，ASIC開(kāi)始更具成本效益。因此人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等廠商們?cè)谛碌募夹g(shù)應(yīng)用之初，可能會(huì)選擇FPGA，進(jìn)行不斷地調(diào)整優(yōu)化以適應(yīng)算法的演進(jìn)。等到相應(yīng)的技術(shù)成熟，可以大規(guī)模部署生產(chǎn)的時(shí)候，廠商們就會(huì)通過(guò)定制ASIC芯片去提升性?xún)r(jià)比以及最優(yōu)化性能。

　　在這樣的過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)FPGA芯片的火熱并不是為了淘汰ASIC芯片，而是一種互相成就。賽靈思稱(chēng)自己的架構(gòu)與器件、設(shè)計(jì)套件組合為領(lǐng)先的 ASIC 和 SoC 平臺(tái)的需求提供了理想的解決方案。例如，英飛凌就與賽靈思和 Xylon 合作推出了新的 Xylon IP 內(nèi)核 logiHSSL。這允許 Xilinx 的SoC、MPSoC 和 FPGA 器件與英飛凌的 AURIX? TC2xx 和 TC3xx 微控制器之間通過(guò)英飛凌高速串行鏈路 (HSSL) 進(jìn)行高速通信。通過(guò)HSSL 接口，客戶(hù)的 ASIC 和 AURIX 設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展或性能。

　　結(jié)構(gòu)化 ASIC應(yīng)運(yùn)而生

　　既然FPGA與ASIC各有優(yōu)勢(shì)，學(xué)術(shù)界也展開(kāi)了結(jié)合ASIC與FPGA的技術(shù)探索。

　　英特爾就提出了結(jié)構(gòu)化ASIC的概念。結(jié)構(gòu)化 ASIC 是 FPGA 和基于單元的 ASIC 之間的增量步驟。結(jié)構(gòu)化 ASIC 以具有邏輯、內(nèi)存、I/O、收發(fā)器和硬核處理器系統(tǒng)的通用基礎(chǔ)陣列開(kāi)始。設(shè)計(jì)人員只需定制互連，跳過(guò)基于單元的 ASIC 設(shè)計(jì)流程中涉及的許多步驟，而是專(zhuān)注于實(shí)現(xiàn)所需的定制功能。

　　從本質(zhì)上講，與 FPGA 相比，結(jié)構(gòu)化 ASIC 具有更低的功耗和更低的單位成本，并且與基于單元的 ASIC 相比，具有更低的 NRE 和更快的上市時(shí)間。

　　在科學(xué)研究上，我們樂(lè)于看到百家爭(zhēng)鳴，無(wú)論FPGA還是ASIC，代表的都是科技越來(lái)越多的可能性。