FPGA設(shè)計(jì)概述 FPGA在各領(lǐng)域的應(yīng)用

FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx創(chuàng)始人之一Ross Freeman發(fā)明，雖然有其他公司宣稱自己最先發(fā)明可編程邏輯器件PLD，但是真正意義上的第一顆FPGA芯片XC2064為xilinx所發(fā)明，這個時間差不多比摩爾老先生提出著名的摩爾定律晚20年左右，但是FPGA一經(jīng)發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象，近些年的FPGA，始終引領(lǐng)先進(jìn)的工藝。

FPGA發(fā)明后，在這個行業(yè)里面曾經(jīng)出現(xiàn)過不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，經(jīng)過十幾年的廝殺，玩家逐漸減少，這些公司或者出售，或者退出，如cypress，atmel完全退出，actel出售給microsemi，altera被intel收購，但這兩個廠家還在這個行業(yè)。現(xiàn)在國際上的主流廠家實(shí)際只剩xilinx，altera（intel），lattice和microsemi四家。而前兩者是絕對的霸主，占據(jù)市場總份額的近90%，處在第一陣營。后兩者份額在百分之十左右，處在第二陣營，但和第一陣營差距非常大。與國際上巨頭的兼并和退出相反，近些年國內(nèi)陸續(xù)誕生了一些FPGA設(shè)計(jì)公司，且有蒸蒸日上的趨勢，但在市場份額及技術(shù)方面和國際巨頭差距非常大，還遠(yuǎn)未達(dá)到挑戰(zhàn)領(lǐng)先巨頭的實(shí)力，后面會對國內(nèi)廠家做些分析。

下面再來簡要介紹FPGA設(shè)計(jì)，這里的FPGA設(shè)計(jì)不是研發(fā)FPGA芯片，而是用FPGA做產(chǎn)品設(shè)計(jì)。業(yè)界普遍認(rèn)為FPGA設(shè)計(jì)門檻很高，相對軟件設(shè)計(jì)，差別在哪呢？現(xiàn)在FPGA的主流設(shè)計(jì)還是采用verilog設(shè)計(jì)（早期有使用原理圖方式，這個方式更接近硬件搭積木，但大規(guī)模的設(shè)計(jì)無法完成）。用matlab，C語言做算法設(shè)計(jì)，然后通過工具直接轉(zhuǎn)化為verilog的方式，喊了十幾年，到現(xiàn)在還未成為主流，說明工具在轉(zhuǎn)化verilog方面其效果還不如有經(jīng)驗(yàn)的FPGA人員寫的代碼。Verilog語言本身非常簡單，但FPGA設(shè)計(jì)的難點(diǎn)并不在語言，而是對FPGA器件內(nèi)部資源和硬件的熟悉，你寫的語言能和你使用的目標(biāo)器件高效的配合起來，使它的效果、利用率以及程序的可讀性達(dá)到最優(yōu)，這個難度就非常大了。筆者曾經(jīng)牽頭編寫了某大型公司整個無線產(chǎn)品的coding style，有近200條規(guī)定，這些規(guī)定是幾十個FPGA開發(fā)人員多年經(jīng)驗(yàn)的積累，不按這個來，隨時可能是個坑。好的coding style，不僅程序?qū)懙煤苊烙^，可讀性好，也不容易出bug。一般來說，要成為一個有經(jīng)驗(yàn)的FPGA設(shè)計(jì)人員，起碼得從事相關(guān)工作5年以上，經(jīng)歷過3個以上大型項(xiàng)目的鍛煉，而且需要有高手帶。筆者曾經(jīng)面試過的大量的FPGA開發(fā)人員，基本上從研究所、小公司或者小團(tuán)隊(duì)出來的，盡管有些工作了很多年，其底子也不是太好（這里沒有歧視研究所和小公司的意思，術(shù)業(yè)有專攻而已）。因此，如果想在FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域做得很深入，國內(nèi)著名通信設(shè)備廠家絕對是最好的選擇，沒有之一。當(dāng)然，如果有IC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人，轉(zhuǎn)為FPGA開發(fā)，則會快很多，而且基本功也很扎實(shí)，但需要補(bǔ)充行業(yè)、系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)。

FPGA從誕生起，就注定和ASIC站在不同的陣營。ASIC是固化好的芯片，不可以進(jìn)行硬件編程（上面跑軟件的不屬于硬件編程）而隨意改變硬件結(jié)構(gòu)，而FPGA則可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要改變硬件結(jié)構(gòu)。因此，從靈活性來說，F(xiàn)PGA遠(yuǎn)強(qiáng)于ASIC芯片，而且FPGA開發(fā)周期也比ASIC要短，因此在有些領(lǐng)域或者場景下，F(xiàn)PGA比ASIC有優(yōu)勢，比如通信領(lǐng)域，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還不成熟時，各個廠家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出產(chǎn)品，而且高度靈活滿足了非標(biāo)準(zhǔn)接口的開發(fā)。再比如工業(yè)領(lǐng)域，很多功能也可能是非標(biāo)的，很難找到合適的ASIC芯片，這時FPGA也是很好的選擇。但是FPGA也有它的弱點(diǎn)，為了保證靈活性，芯片里面預(yù)留了可配置邏輯，即相對ASIC增加了冗余的面積，這樣既增加了成本也增加了功耗，這就決定了在有些領(lǐng)域里面它很難競爭過ASIC，比如終端產(chǎn)品，它對低功耗要求比較高。在標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品、功能里面，它不需要那么靈活，這也不是FPGA的菜。因?yàn)榻K端產(chǎn)品量非常大，而且這個世界上大部分東西都是有共性的，即可以標(biāo)準(zhǔn)、通用的可能性大，因此，F(xiàn)PGA在整個芯片行業(yè)占比總體來說比較小。這些年FPGA總體市場規(guī)模在40億美金左右（加上CPLD大概在50多億美金），而2016年全球芯片市場規(guī)模大概在4000億美金左右。

總體來說，由于FPGA本身的特點(diǎn)，決定了它不是在每個行業(yè)、產(chǎn)品都適合應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化的，功耗要求很嚴(yán)格的，單價(jià)很低的產(chǎn)品都不適合，而這些恰恰是電子產(chǎn)品中占比大的，事實(shí)上，F(xiàn)PGA用得比較多的行業(yè)主要有通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、及高端安防等，以及航天和軍工（可靠性要求高，但量不大），未來可能數(shù)據(jù)中心和AI會是一個爆發(fā)點(diǎn)，后面會做分析。

在芯片應(yīng)用行業(yè)，計(jì)算機(jī)和通訊是最大的兩個領(lǐng)域，而對于FPGA來說，應(yīng)用的第一大領(lǐng)域是通訊而不是計(jì)算機(jī)。PC機(jī)雖然數(shù)量及其巨大，但PC機(jī)里面沒有FPGA芯片，原因是PC機(jī)是一個高度標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，因此PC機(jī)里面所有芯片用ASIC實(shí)現(xiàn)不僅可行，而且是經(jīng)濟(jì)的。而服務(wù)器、大型機(jī)里面開始逐步在使用FPGA，主要用于大數(shù)據(jù)的協(xié)處理，目前量還不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和通信產(chǎn)品使用的FPGA相比，但未來潛力很大，后面會做進(jìn)一步介紹。

通信產(chǎn)品可以從云、管、端層面來劃分，端不大適合使用FPGA，如前所述，因?yàn)镕PGA功耗相對ASIC偏大，至于前段時間吵得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的lattice FPGA芯片用于三星和蘋果7的手機(jī)案例，實(shí)屬特例，千萬不要認(rèn)為未來FPGA能大規(guī)模進(jìn)軍消費(fèi)電子，從而使得FPGA市場規(guī)模將成倍甚至數(shù)十倍的增加，至少短期內(nèi)可能性不大。

通信行業(yè)講的云主要包括核心網(wǎng)及各種服務(wù)器中心，在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算沒有規(guī)模應(yīng)用之前，核心網(wǎng)設(shè)備里面基本沒有FPGA，因?yàn)楹诵木W(wǎng)所處理的協(xié)議其實(shí)非常標(biāo)準(zhǔn)化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標(biāo)準(zhǔn)的核心部分實(shí)際上主要體現(xiàn)在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道（基站、基站控制、承載、傳輸?shù)犬a(chǎn)品）中實(shí)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)變化快，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，甚至在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)甚至小批量，而這只有FPGA能做到。一般來講越往終端側(cè)靠近，設(shè)備的數(shù)量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網(wǎng)側(cè)用的FPGA數(shù)量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴?？紤]量、價(jià)因素，最終還是基站側(cè)用的FPGA總價(jià)高。

為什么是基站（也可以說是管道）最適合用FPGA，而且總價(jià)最高。首先因?yàn)榛镜牧糠浅４?，基站雖然和手機(jī)的量沒法比，但遠(yuǎn)多于核心網(wǎng)數(shù)量，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球存量基站有數(shù)千萬（5G部署后，可能會輕松破億），每個基站里面有數(shù)塊到10數(shù)塊板子（根據(jù)配置不同而不同），除了電源和風(fēng)扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。其次，基站里面用的FPGA型號也不會太低端，因?yàn)橐幚韽?fù)雜的物理協(xié)議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個重要的考慮。一般來講，基站中的芯片價(jià)格在一百到數(shù)千元人民幣不等。價(jià)格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗(yàn)證用，不會大規(guī)模發(fā)貨。最后，基站主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，這部分內(nèi)容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來實(shí)現(xiàn)，尤其是協(xié)議未完全凍結(jié)時，最適合FPGA來處理，因?yàn)榭梢酝ㄟ^升級FPGA版本來應(yīng)對協(xié)議變動，待協(xié)議完全凍結(jié)后，各設(shè)備廠家會逐步以ASIC來替代之前的FPGA，因?yàn)榱窟_(dá)到一定程度后，ASIC的成本和功耗優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，而且大型設(shè)備商的ASIC化能力又非常強(qiáng)，因此FPGA在通信領(lǐng)域主要在初、中期應(yīng)用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口類的FPGA，這也是FPGA廠商必須要面對的一個現(xiàn)實(shí)。

除了通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在安防和工業(yè)領(lǐng)域也存在大量應(yīng)用。在安防領(lǐng)域，視頻的編解碼比如MPEG和H.26x等協(xié)議基本由專用ASIC實(shí)現(xiàn)，但是前端的數(shù)據(jù)采集處理及部分控制邏輯可以由FPGA來處理，因?yàn)榘卜酪彩且粋€巨大的產(chǎn)業(yè)，因此，F(xiàn)PGA的用量也是非?？捎^的。工業(yè)領(lǐng)域主要用FPGA的靈活性來做控制，而且主要是規(guī)模比較小的FPGA。此外，軍工和航天也是FPGA應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，軍工和航天對FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有軍工產(chǎn)品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工藝（一次編程，可以更好的抗干擾和抗輻射等）FPGA因其高可靠性，主要用于軍工航天產(chǎn)品。