智能化市場(chǎng)需求或?qū)PGA技術(shù)推向主流

FPGA 自誕生以來(lái)就存在著極端的兩面性，一面幫助各技術(shù)突破瓶頸，一面又對(duì)各技術(shù)和多領(lǐng)域造成了成本等因素的困擾?？梢哉f(shuō)，F(xiàn)PGA 在發(fā)展的道路上，總有博弈發(fā)生。

提供捷徑，代價(jià)是昂貴

FPGA 自誕生以來(lái)，就一直沖擊著眾多的集成電路的神經(jīng)，尤其是 ASIC 芯片，得到了較大的發(fā)展，尤其是在電信領(lǐng)域。

因?yàn)殡娦蓬I(lǐng)域與其它行業(yè)不一樣，電信的標(biāo)準(zhǔn)是在不斷變化的，那么相關(guān)的設(shè)備也會(huì)不斷變化，如果你生產(chǎn)的設(shè)備自生產(chǎn)之后就定型了，一成不變了，肯定是不符合的。

而 FPGA 可以重新編程則讓電信設(shè)備即使在生產(chǎn)出來(lái)之后，也能夠進(jìn)行改變，所以電信行業(yè)一直是 FPGA 最大客戶。

由于 ASIC 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成，F(xiàn)PGA 提供了捷徑。電信設(shè)備的最初版本一般采用 FPGA，但 FPGA 高昂的價(jià)格引發(fā)了沖突，對(duì)電信行業(yè)而言，芯片的價(jià)格卻很重要。

如今，華為已成為 FPGA 的最大客戶。華為兩年前即提供了世界上最早的 5G 電信設(shè)備解決方案，相較于其他供應(yīng)商處于明顯優(yōu)勢(shì)，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)于美國(guó)的 FPGA 影響華為提供 5G 電信設(shè)備。

當(dāng)然，F(xiàn)PGA 雖然很重要，但在集成電路中的占比并不高，以 2018 年的數(shù)據(jù)為例，全球集成電路規(guī)模高達(dá) 4688 億美元，但 FPGA 僅占 69 億美元，只有 1.5%左右。

不過(guò)隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI 等發(fā)展，未來(lái) FPGA 由于其靈活性及高速運(yùn)算能力，潛力非常大，甚至有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)未來(lái)五年復(fù)合增速達(dá) 38.4%，地位越來(lái)越重要。

搭建橋梁，如今持續(xù)敏感

從廣義定義上看，SDR 就是通訊的物理層可以通過(guò)軟件去定義一部分或者全部通過(guò)軟件定義；從應(yīng)用上看，基本所有的商用基站包括終端都是 SDR 的設(shè)備，這些系統(tǒng)中包含通用 FPGA，可以對(duì)物理層做相關(guān)的更改。

在 5G 的原型化階段，毫米波通道探測(cè)、Massive MIMO、超高密度網(wǎng)絡(luò)，以及多載波濾波等關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證面臨巨大的挑戰(zhàn)，這需要在測(cè)試設(shè)備上做出快速相應(yīng)協(xié)議的變化，推出可以靈活擴(kuò)展通道數(shù)量，自定義測(cè)試 IP，靈活覆蓋射頻頻段的需求。

SDR 技術(shù)中的 DSP 和 FPGA 具有可編程性，可以為 5G 技術(shù)驗(yàn)證帶來(lái)極大的靈活性。

SDR 在手機(jī)上的成功應(yīng)用，也意味著一個(gè)無(wú)線新時(shí)代的到來(lái)。SDR 正在逐步應(yīng)用到更多的產(chǎn)品和領(lǐng)域，芯片技術(shù)的發(fā)展是 SDR 技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。

SDR 可以支持無(wú)限量的通訊協(xié)議和多媒體應(yīng)用，這得益于 SDR 芯片的計(jì)算能力；物聯(lián)網(wǎng)、5G 等網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會(huì)給 SDR 帶來(lái)新的發(fā)展空間。

FPGA 給 SDR 應(yīng)用搭建了橋梁，F(xiàn)PGA 利用并行硬件的優(yōu)勢(shì)來(lái)完成一些高密度處理功能（如 DDC），利用可編程優(yōu)勢(shì)適應(yīng) DSP 的一些解碼和分析功能。雖然這些優(yōu)勢(shì)以增加功耗和成本為代價(jià)，但是這些對(duì)于器件的性能來(lái)說(shuō)往往是次要的。

但是 SDR 技術(shù)的實(shí)施方式存在分歧，商業(yè)供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，如今地球上的每個(gè)基站都有 SDR 技術(shù)。

另一方面，在國(guó)防界，SDR 是由大型國(guó)防承包商建造的，他們用有利可圖的傳統(tǒng)產(chǎn)品線來(lái)建造。

其結(jié)果是基于 FPGA 的無(wú)線電產(chǎn)品價(jià)格非常高，以至于美國(guó)部分國(guó)防市場(chǎng)對(duì)使用 FPGA 產(chǎn)生了持續(xù)的過(guò)敏反應(yīng)。

速度成本的博弈，布局和布線成障礙

FPGA 沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)源、友好的編程模型，因此對(duì)于在所有 FPGA 芯片上均可工作或易于交叉編譯的 FPGA 程序，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)。

數(shù)據(jù)中心中新 CPU 和 FPGA 進(jìn)入的主要障礙不僅在于速度和成本，還在于所有可能的 I/O 設(shè)備的軟件和驅(qū)動(dòng)程序的可用性。

在數(shù)據(jù)中心使用 FPGA 時(shí)，目前的主要障礙是布局和布線。運(yùn)行專(zhuān)有 FPGA 供應(yīng)商軟件將電路映射到 FPGA 元件所花費(fèi)的時(shí)間，在大型 FPGA 和高速 CPU 服務(wù)器上，布局和布線需要長(zhǎng)達(dá)三天，而且即使在使用三天后，很多軟件仍無(wú)法解決映射問(wèn)題。

盡管如此，F(xiàn)PGA 仍然是一種快速進(jìn)入市場(chǎng)的方式，是獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的簡(jiǎn)單方法以及在許多關(guān)鍵任務(wù)情況下必不可少的技術(shù)。盡管與 ASIC 相比，芯片價(jià)格昂貴。

然而，在與 CPU 或 GPU 上運(yùn)行軟件相比，在 HPC 和數(shù)據(jù)中心中，F(xiàn)PGA 的運(yùn)營(yíng)成本大大降低。與 CPU 和 GPU 相比，所需的 FPGA 更少，所需的冷卻也更少。

與 GPU 競(jìng)爭(zhēng)，或三十年河?xùn)|三十年河西

使用 FPGA 的另一種方法是增強(qiáng) ASIC，構(gòu)建 ASIC 的目的是保持固定功能，同時(shí)添加 FPGA，為產(chǎn)品的最新更改或適應(yīng)不同市場(chǎng)提供一定的靈活性。

現(xiàn)代 FPGA 集成了越來(lái)越多的硬功能，變得越來(lái)越像 ASIC，而 ASIC 有時(shí)會(huì)在其設(shè)計(jì)中添加一些 FPGA 結(jié)構(gòu)，用于調(diào)試、測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)以及根據(jù)需要靈活地添加少量功能。

由于算法不斷變化，并且法律法規(guī)可能會(huì)在汽車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)發(fā)生變化，需要駕駛員更新，因此解決方案需要靈活。

FPGA 的時(shí)鐘頻率較低，散熱片較小，因此物理尺寸比 CPU 和 GPU ?。桓偷墓暮透〉某叽缡?FPGA 成為顯而易見(jiàn)的選擇。

盡管如此，GPU 易于編程，并且不需要三天時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)布局和路線，因此對(duì) FPGA 形成了一定挑戰(zhàn)。

此外，至關(guān)重要的是能夠在汽車(chē)和云中運(yùn)行相同的代碼（主要用于模擬和測(cè)試），因此 FPGA 必須先在云中使用，然后才能在汽車(chē)中使用。由于這些原因，許多開(kāi)發(fā)人員更喜歡 GPU。

未來(lái)或許當(dāng)放棄數(shù)據(jù)流優(yōu)化以使 FPGA 易于編程時(shí)，F(xiàn)PGA 的性能將降低，因此它們將不再與 CPU 競(jìng)爭(zhēng)，而 CPU 總是更易于編程。

不斷發(fā)展，但效率降低

現(xiàn)代接口正試圖使 FPGA 更易于編程，更加模塊化，并與其它技術(shù)更加協(xié)作。FPGA 支持 AXI（高級(jí)可擴(kuò)展接口）總線，這使它們更易于編程，但也帶來(lái)了極大的效率低下，使得 FPGA 的性能降低，最終競(jìng)爭(zhēng)力大大降低。

通常，對(duì)于 NFV 和虛擬機(jī)加速而言，F(xiàn)PGA 必須直接連接到 CPU，并可能使用緩存一致性作為一種通信機(jī)制。

當(dāng)然，關(guān)鍵的功能是具備 FPGA 崩潰時(shí) CPU 不崩潰的能力，反之亦然。超標(biāo)量技術(shù)公司正在重新發(fā)現(xiàn) IBM 大型機(jī)的時(shí)代需求，從而將越來(lái)越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。

結(jié)尾：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)集中，創(chuàng)新速度加快

全球 FPGA 芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)高度集中，頭部廠商占領(lǐng)話語(yǔ)權(quán)，新入局企業(yè)通過(guò)產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，智能化市場(chǎng)需求或?qū)?FPGA 技術(shù)推向主流。

產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，除傳統(tǒng)可編程邏輯裝置（純數(shù)字邏輯性質(zhì)），新型可編程邏輯裝置（混訊性質(zhì)、模擬性質(zhì)）創(chuàng)新速度加快，AI 領(lǐng)域多通道計(jì)算任務(wù)需求推動(dòng) FPGA 技術(shù)向主流演進(jìn)。
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