FPGA從電子設(shè)計的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心

作為一種可編程邏輯器件，FPGA在二十多年的發(fā)展歷程中，從電子設(shè)計的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、工業(yè)控制、無人駕駛、大數(shù)據(jù)等對并行計算有強(qiáng)烈的需求，以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的未來被持續(xù)看好。在此背景下，中國發(fā)展FPGA有著重要意義。為此，《中國電子報》在“中國工業(yè)強(qiáng)基戰(zhàn)略推進(jìn)論壇”上采訪了廣東高云半導(dǎo)體科技股份有限公司董事長陳天成、副總裁兼首席技術(shù)執(zhí)行官朱璟輝。

FPGA在工業(yè)控制中應(yīng)用不斷擴(kuò)大

《中國制造2025》是我國工業(yè)制造業(yè)的十年發(fā)展規(guī)劃，它的出臺將互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)更加緊密地結(jié)合起來，工業(yè)設(shè)備的自動化、控制技術(shù)的智能化發(fā)展趨勢已經(jīng)成為人們的共識。受益于工業(yè)自動化與智能化的發(fā)展，擁有彈性設(shè)計特性的FPGA有望更加廣泛地應(yīng)用到工業(yè)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中。

對此，朱璟輝表示，在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，如PLC、人機(jī)界面HMI控制、馬達(dá)控制、視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺等，是工業(yè)控制系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)器件。FPGA的可程序化邏輯特性，讓它比其他ASIC或MCU有更大的設(shè)計彈性。

朱璟輝進(jìn)一步指出：“隨著科技的進(jìn)展，制造業(yè)走向更高度的自動化與智能化，對工業(yè)控制技術(shù)等領(lǐng)域不斷產(chǎn)生新的需求，在未來的工業(yè)制造領(lǐng)域，F(xiàn)PGA將有更大的發(fā)展空間。目前來看有兩個領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分巨大：一是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。作為未來制造業(yè)發(fā)展的方向，工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算平臺、MES系統(tǒng)等都是支持工業(yè)智能化的重要平臺，它們需要完成大數(shù)據(jù)量的復(fù)雜處理，F(xiàn)PGA在其中可以發(fā)揮重要作有；二是工業(yè)機(jī)器人設(shè)備領(lǐng)域。在多軸向運作的精密控制、實時同步的連接以及設(shè)備多功能整合等方面，兼具彈性和整合性的FPGA，更能展現(xiàn)設(shè)計優(yōu)勢。”

更高度的功能整合、降低成本，縮小產(chǎn)品尺寸，將是工業(yè)4.0時代的發(fā)展大趨勢。FPGA可以助推這個趨勢的發(fā)展。

其實除了工業(yè)應(yīng)用之外，F(xiàn)PGA的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多。資料顯示，如果依銷量為序，F(xiàn)PGA的應(yīng)用市場依次為通信、工業(yè)軍事航空、消費、數(shù)據(jù)中心、汽車和醫(yī)療?！半S著技術(shù)的發(fā)展，新的應(yīng)用市場不斷出現(xiàn)，現(xiàn)在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、無人駕駛、大數(shù)據(jù)等，對并行計算都有著強(qiáng)烈的需求，而這些正是FPGA擁有天然優(yōu)勢的新方向。如汽車ADAS，需要處理實時高清圖像，進(jìn)時分析識別與處理，F(xiàn)PGA的作用明顯。在人工智能方面，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也需要進(jìn)行大量并行運算?！敝飙Z輝說。

當(dāng)前是中國發(fā)展FPGA的有利時機(jī)

正是由于FPGA在網(wǎng)絡(luò)通信、芯片設(shè)計原型驗證、軍事航空、大數(shù)據(jù)并行運算等領(lǐng)域具有戰(zhàn)略價值。中國非常有必要發(fā)展FPGA產(chǎn)業(yè)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，F(xiàn)PGA市場基本上國外Xilinx、Altera、Lattice三家為大。近些年來，國內(nèi)一些FPGA廠商也在掘起，如高云半導(dǎo)體、同創(chuàng)國芯、安路科技等。不過，從公開數(shù)據(jù)來看，目前的國產(chǎn)FPGA市場自給率很低，小于1%。從技術(shù)上看，國際公司已覆蓋65/55/40/28/20/16納米程制，從1K到KKLUTs形成系列產(chǎn)品。國產(chǎn)FPGA只有65/55/40納米、1L-55KLUTs的產(chǎn)品。

對此，朱璟輝表示，當(dāng)前正是中國發(fā)展自主FPGA產(chǎn)業(yè)的重要窗口期。首先，F(xiàn)PGA的應(yīng)用面正在拓寬，特別是《中國制造2025》、“強(qiáng)基戰(zhàn)略”等對芯片安全、國產(chǎn)化有了迫切的需要，加上消費電子等領(lǐng)域潛在需求的爆發(fā)，中國正在成為PGA的重要市場。其次，隨著國際巨頭競爭的激烈，產(chǎn)業(yè)調(diào)整，導(dǎo)致優(yōu)秀人才溢出，為國內(nèi)FPGA廠商獲得高端人才創(chuàng)造了條件。最后，國際專利時效的到期（特別是基礎(chǔ)專利），也為國內(nèi)廠商進(jìn)行技術(shù)性規(guī)避創(chuàng)造了條件。

朱璟輝進(jìn)一步表示：“高云半導(dǎo)體致力于FPGA的國產(chǎn)化。2016年已完成中低密度的產(chǎn)品布局。其中1萬-100萬門非易失產(chǎn)品系列，采用臺積電55納米嵌入Flash工藝，產(chǎn)品直接競爭AlteraMAXV10和LatticeXO2/3；100萬門-500萬門易失性FPGA產(chǎn)品，采用臺積電55nm基于SRAM，可與XillinxSpartan及AlteraCyclone系列PK。應(yīng)用可以覆蓋視頻、工業(yè)控制和消費和安全領(lǐng)域，逐步滲透機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等領(lǐng)域?！?/p>

“下一步高云半導(dǎo)體將開展28納米中高密度產(chǎn)品，切入通信及計算市場，計劃在2017年推出500萬-2000萬邏輯門帶高速接口類Xillinx7系列產(chǎn)品，進(jìn)入通信、大數(shù)據(jù)高速運算等涉及國家安全急需的關(guān)鍵領(lǐng)域?！?/p>

嵌入式FPGA成敗難料

在談到FPGA的發(fā)展趨勢時，朱璟輝表示，高密度、高速度、寬頻帶、高保密；低電壓、低功耗、低成本；IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成，緊密結(jié)合應(yīng)用需求，多元化發(fā)展是FPGA的總體發(fā)展方向。

針對日前有公司推出嵌入式FPGA產(chǎn)品，朱璟輝認(rèn)為，F(xiàn)PGA在大規(guī)模計算和可重構(gòu)性有強(qiáng)烈需求的數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域表現(xiàn)出色。那些對異構(gòu)計算有需求的廠商將樂于看到嵌入式FPGA的推出。數(shù)據(jù)中心就是最好的應(yīng)用市場之一。但是，F(xiàn)PGA需要有一個完善的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)才能保證其使用?，F(xiàn)在，從FPGA向eFPGA技術(shù)轉(zhuǎn)變需要更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，因為在這個過程中，需要針對不同的IP核定制一系列復(fù)雜的工具套件。因此，嵌入式FPGA概念雖好，想要發(fā)展起來仍將面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

FPGA關(guān)注的一個熱點領(lǐng)域是目前紅透半邊天的機(jī)器學(xué)習(xí)?！斑@些應(yīng)用是極具靈活性的FPGA天然優(yōu)勢領(lǐng)域所在?！敝飙Z輝表示，“在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，F(xiàn)PGA也是一個不能忽視的重要角色。尤其是現(xiàn)在數(shù)據(jù)大爆發(fā)，對數(shù)據(jù)中心的需求激增，進(jìn)而提高了對服務(wù)器降溫和功耗的需求，具有天然優(yōu)勢的FPGA受到關(guān)注。那些原本跑在主處理器上，使用軟件實現(xiàn)的功能，可以使用FPGA以硬件編程方式實現(xiàn)，而且更加節(jié)能。”