百花齊放的芯片浪潮中，F(xiàn)PGA奪得一席之地。新市場涌現(xiàn)、新玩家入局，給這個并購與研發(fā)并舉的高壁壘市場，增添了些許波瀾。
FPGA芯片是基于可編程器件（PAL、GAL、CPLD）發(fā)展而來，是半定制化、可編程的集成電路。FPGA的特殊之處在于，其對底層算法架構的依賴度低，對EDA軟件依賴度高，需要EDA軟件去輔助完成設計。FPGA芯片出廠時沒有特定的功能，通過FPGA專用EDA軟件現(xiàn)場對硬件進行編程可以實現(xiàn)具體用戶需要的功能。
受益于與眾不同的架構，F(xiàn)PGA的可編程屬性使其相比其他處理器，在算力、成本、功耗之間更能取得平衡。相對于ASIC芯片，F(xiàn)PGA更具靈活性，大大縮減了專用芯片束縛的限制；相對傳統(tǒng)可編程器件可添加更大規(guī)模電路數(shù)量以實現(xiàn)多元功能。與CPU、GPU這類處理器相比，F(xiàn)PGA在功耗和計算速度方面具備優(yōu)勢。
FPGA普遍被認為是構建原型和開發(fā)設計的最快推進路徑之一，具有編程、除錯、再編程和重復操作等優(yōu)點，作為定制化ASIC領域的半定制電路而出現(xiàn)。在采用FPGA進行設計時，設備制造商可以在開發(fā)現(xiàn)場自由改寫電路結構，而無需向半導體廠商支付包括掩膜在內(nèi)的開發(fā)費用，同時在完成電路結構設計之后也無需執(zhí)行布局、布線等工作，顯著縮短IC開發(fā)周期。
隨著5G、AI等技術的提升，全球FPGA市場規(guī)模穩(wěn)步增長，2020年全球FPGA銷售額已超過60億美元，F(xiàn)rost&Sullivan預計，全球FPGA市場規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復合增長率約為16.4%。

誕生于1985年的FPGA雖然問世時間不長，但已經(jīng)憑借“可編程”的獨特優(yōu)勢，在百花齊放的芯片浪潮中奪得一席之地，成為CPU、GPU、ASIC等之外的又一勁旅。
FPGA的靈活性使芯片設計人員可通過硬件描述語言，用軟件的形式將各種數(shù)理邏輯下載到FPGA 里，從而重新定義芯片功能，尤其是在技術標準尚未成熟或發(fā)展更迭速度快的行業(yè)領域，只需要幾百毫秒即可更新芯片的邏輯功能的FPGA能有效幫助企業(yè)降低投資風險及沉沒成本，是一種兼具功能性和經(jīng)濟效益的選擇，這是其他數(shù)字芯片所無法實現(xiàn)的。
基于設計靈活、兼容性強、并行計算、適用性強等特點，F(xiàn)PGA芯片被廣泛應用在智能設備中。早期，因無需高額流片即可驗證芯片產(chǎn)品，在量產(chǎn)初期或者開展研發(fā)類項目，F(xiàn)PGA的性價比優(yōu)勢最為明顯，在部分應用場景可實現(xiàn)對ASIC的部分替代。但當量產(chǎn)規(guī)模提升后，F(xiàn)PGA的性能優(yōu)勢以及成本優(yōu)勢反而下降，且該時期內(nèi)FPGA的傳統(tǒng)優(yōu)勢反而對產(chǎn)品及市場推廣意義較低，因此該時期OEM廠商通常會使用ASIC。

目前，F(xiàn)PGA芯片應用場景覆蓋了包括網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場。未來，隨著全球新一代通信設備部署以及人工智能與自動駕駛技術等新興市場領域需求的不斷增長，F(xiàn)PGA芯片市場規(guī)模預計將持續(xù)提高。
網(wǎng)絡通信領域是FPGA下游應用最廣泛的場景，有效實現(xiàn)了大量高速數(shù)字信號處理功能。有數(shù)據(jù)顯示，2018年全球FPGA通信市場占據(jù)整體應用市場近45%。FPGA目前被大量應用在有線及無線通信設備中，實現(xiàn)接口擴展、邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、單芯片系統(tǒng)等功能。
同時，5G商業(yè)化浪潮正在為FPGA打開新的成長空間，****數(shù)量、擴展性、異構性需求將帶動FPGA器件用量提升。另一方面，由于5G通訊擁有較長的迭代升級過程和較大的技術不確定性，這使得市場很難快速推出成熟的5G ASIC芯片，從而為FPGA在5G領域的運用提供了較長的時間窗口。在整個5G系統(tǒng)方案穩(wěn)定運行前，F(xiàn)PGA是更加理想的解決方案，而隨著FPGA整體技術水平的不斷提升，其總體持有成本較低的優(yōu)勢期有望持續(xù)延長。
工業(yè)市場是FPGA僅次于通信的第二大市場，F(xiàn)PGA可幫助工業(yè)應用實現(xiàn)更智能化、高性能、低能耗的解決方案。以數(shù)控機床馬達為例，與傳統(tǒng)只能控制單一馬達的專用芯片相比，基于FPGA的多通道馬達控制能夠?qū)崿F(xiàn)。隨著以自動化為核心要素的智能無人工廠的發(fā)展，正在從以人力資源為核心要素轉向以自動化為核心要素的智能化無人工廠，集成化與安全性要求提高，F(xiàn)PGA實時性和高并行性價值將更加凸顯。
消費電子市場對產(chǎn)品性價比要求較為嚴苛，為實現(xiàn)性價比與差異化的平衡，消費電子廠商目前已形成一種類似協(xié)處理器，功能簡單、功耗低、性價比高的以FPGA作為主芯片的解決方案。此外，消費電子產(chǎn)品迭代周期快，F(xiàn)PGA芯片開發(fā)周期較短特點與消費電子板塊匹配。同時，F(xiàn)PGA芯片靈活支持接口轉換，可實現(xiàn)各種存儲接口的控制，簡化外圍電路設計。
在汽車電子領域，F(xiàn)PGA芯片因低時延存在天然優(yōu)勢。由于FPGA具有強邏輯性，當汽車電子系統(tǒng)當中的邏輯單元較多時，采用FPGA技術能夠?qū)⑦@些邏輯單元準確排列，提高汽車電子系統(tǒng)中邏輯單元的利用率；同時，由于FPGA內(nèi)部結構較易實現(xiàn)分布式算法結構，對實現(xiàn)汽車電子中的高速數(shù)字信號處理十分有利。FPGA在汽車領域可應用于ADAS、車載攝像頭、傳感器、激光雷達、車載娛樂信息系統(tǒng)等，應用面廣泛。此外，F(xiàn)PGA方案可以在不進行重新設計的前提下實現(xiàn)重新編程，以適應不斷發(fā)展的算法，從而縮短整體方案的開發(fā)周期。
Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示，2020年應用于汽車電子領域的FPGA芯片中國銷售額將達到9.5億元，占中國FPGA芯片市場份額的6.3%，2021年-2025年年均復合增長率將達到22.7%。
通過其適用市場可以看到，F(xiàn)PGA相比較于其他通用邏輯器件或者ASIC，在靈活性、小規(guī)模部署成本方面有優(yōu)勢，正好滿足了5G通信業(yè)務靈活部署、AIoT市場長尾碎片化的需求。
但是，優(yōu)勢之外，F(xiàn)PGA存在規(guī)模普及的難點，由于較高難度的編程設計，對于更新周期極快的IC行業(yè)，客戶需要便捷方便的設計環(huán)境，以提升生產(chǎn)力、縮短上市時間、盡可能實現(xiàn)集成化需求。這就對賽靈思、英特爾等FPGA芯片廠商提出了要求，通過增加軟件的通用性來進一步降低客戶的使用壁壘。

最近兩年，由于云計算、高性能計算和人工智能的繁榮，給FPGA帶來新的市場推動力，催化增量空間。
在人工智能領域，AI大規(guī)模發(fā)展目前仍存在許多芯片層面的問題，AI的基礎硬件需要滿足低延遲、高性能、高可靠性、高性價比等要求，這些剛好是FPGA能夠充分滿足的。FPGA芯片已與GPU及ASIC等芯片一起成為人工智能處理芯片的重要選擇之一。
在AI市場，F(xiàn)PGA芯片可以作為加速卡加速人工智能算法的硬件級運算速度。高密度FPGA面向云側并行運算需求，中低密度面向端側推斷任務轉移。
云端：FPGA流水線并行結構，可以實現(xiàn)更高的并發(fā)處理。FPGA可針對數(shù)據(jù)包步驟數(shù)量搭建同等數(shù)量流水線，數(shù)據(jù)包經(jīng)多個流水線處理后可即時輸出，無需像GPU一樣數(shù)據(jù)單元一致輸出，因此計算密集型任務（如圖像處理、機器學習等）中，擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行的高密度FPGA效率更高。
端側：當推斷決策任務轉至智能終端，中低密度FPGA迎來用武之地。隨著智能終端對實時響應和多樣化應用的需求，越來越多的推斷任務被轉移到端側來完成。為實現(xiàn)推斷任務的轉移，通常對訓練后的人工智能算法模型進行壓縮，進而應用到推理環(huán)節(jié)，F(xiàn)PGA芯片可實現(xiàn)快速推斷決策的特點也使其可廣泛應用于該領域。
因此，F(xiàn)PGA 芯片在矩陣運算、圖像處理、機器學習、非對稱加密、搜索排序等人工智能領域有著很廣闊的應用前景。Semico Research預測，F(xiàn)PGA在人工智能領域的市場規(guī)模2023年有望達52億美元，五年復合增速38.4％。

在高性能計算和數(shù)據(jù)中心市場，FPGA 芯片不但可以作為運算加速器，還可以作為連接器件讓大型數(shù)據(jù)中心中眾多的運算處理器和運算加速器更緊密地結合。
FPGA在數(shù)據(jù)中心領域主要產(chǎn)品形態(tài)為加速卡，用于硬件加速。位于網(wǎng)絡交換層與傳統(tǒng)服務器軟件之間，加速層通過眾多FPGA支撐虛擬網(wǎng)絡模型計算任務，使得硅片內(nèi)存完整加載模型權重，突破DRAM性能瓶頸，同時剩余資源可用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡等計算任務。
英特爾FPGA中國創(chuàng)新中心總經(jīng)理張瑞在接受采訪時表示，從未來發(fā)展角度來看，F(xiàn)PGA在加速器市場的需求會很大。包括數(shù)據(jù)中心當中的加速器，數(shù)據(jù)中心之外的加速器，都需要通過FPGA做各種加速。
當前，F(xiàn)PGA已成為全球數(shù)據(jù)中心加速器市場中最高成長領域，據(jù)Semico Research預計，全球市場數(shù)據(jù)中心加速器市場將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年復合增長率49.47％；其中，F(xiàn)PGA預計將是年復合增長率最高的細分市場，該增長將由企業(yè)級工作負載加速應用對FPGA越來越多的采用而驅(qū)動。

在數(shù)據(jù)中心市場增速迅猛的趨勢下，在近日SC21 全球超級計算大會上，賽靈思宣布推出 Alveo? U55C 數(shù)據(jù)中心加速器卡，以及一款基于標準、API-driven的集群解決方案，用于大規(guī)模部署FPGA。專為HPC和大數(shù)據(jù)工作負載而構建，可令運行大規(guī)模計算工作負載的各類客戶大獲裨益，支持其利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心基礎架構和網(wǎng)絡，實現(xiàn)強大的基于FPGA的HPC集群。
回顧過去，在傳統(tǒng)的FPGA業(yè)務模型里，F(xiàn)PGA廠商通常只負責賣給客戶FPGA芯片和FPGA的開發(fā)工具這兩樣東西，然后主要的開發(fā)過程往往由客戶完成。如今，F(xiàn)PGA廠商更傾向于提供給客戶一個完整的系統(tǒng)級解決方案。兩大FPGA廠商賽靈思和英特爾目前紛紛推出的各類FPGA加速卡，就是這個趨勢的典型代表。
總體而言，在今天，F(xiàn)PGA廠商已經(jīng)從單純提供FPGA芯片和底層開發(fā)工具，逐漸轉變成提供基于FPGA加速卡和完整軟件開發(fā)環(huán)境的全棧式解決方案。同時，第三方FPGA加速卡的出現(xiàn)，也極大的豐富了FPGA加速卡產(chǎn)品的可選擇性，以針對不同應用場景下的用戶需求。通過提供這些完整的開發(fā)環(huán)境，大大簡化了FPGA的開發(fā)難度，使得軟件開發(fā)人員也能在短時間內(nèi)完成算法模型的FPGA實現(xiàn)。
這些轉變背后的主要動力，就是當前FPGA在諸多領域的廣泛而深入的使用。只要FPGA還能不斷推動AI和大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，這個趨勢就會繼續(xù)前行。FPGA廠商的目的在于不斷提供原廠軟硬件解決方案的同時，也在不斷吸收第三方的IP與應用，從而構建一個完整的FPGA生態(tài)系統(tǒng)。
此外，近期DPU和智能網(wǎng)卡概念異?；鸨瑥腗ellanox、英偉達到英特爾，各路諸侯紛紛加入戰(zhàn)場，各種概念Smart NIC、DPU、IPU層出不窮。FPGA被集成到智能網(wǎng)卡或DPU中，用于降低高負載應用情況下的切換帶來的延遲和網(wǎng)絡抖動，以及把一些需要硬件加速的通用計算用FPGA加速，進一步釋放CPU。FPGA可提供強大的計算能力和足夠的靈活性，具有低延遲、高功耗的特點。
英特爾2021年6月發(fā)布的IPU產(chǎn)品（可以被視為英特爾版本的DPU），將FPGA與Xeon D系列處理器集成，成為了DPU賽道有力的競爭者。

• 瑞薩進軍FPGA市場

不斷擴展的應用市場之外，半導體老玩家的跨行入局或給FPGA市場增添新的“變數(shù)”。
近日，先進半導體解決方案的主要供應商瑞薩電子推出全新的超低成本、超低功耗產(chǎn)品線ForgeFPGA?，進軍FPGA市場。
瑞薩官方表示，這款FPGA的批量價格將遠低于0.5美元，主要服務于低于5000邏輯門應用的中低密度市場，其初始器件尺寸為1K和2K查找表（LUT）。預計待機功耗低于20uA，是現(xiàn)有功耗最低的產(chǎn)品，約為競品的一半，這將有助于幫助瑞薩電子進入以前由于成本限制而無法使用FPGA的應用市場，如大批量消費和物聯(lián)網(wǎng)應用。
據(jù)中國電子報消息，F(xiàn)orgeFPGA產(chǎn)品家族開發(fā)團隊來自被Dialog收購的Silego Technology公司，其曾經(jīng)推出GreenPAK可編程混合信號器件。瑞薩最近完成了對Dialog的收購，并將該產(chǎn)品納入自身的產(chǎn)品組合。瑞薩電子物聯(lián)網(wǎng)及基礎設施事業(yè)本部混合信號事業(yè)部副總裁Davin Lee表示：“我們渴望將瑞薩在小型、低成本、可編程市場的表現(xiàn)擴展至FPGA領域。”
近年來，瑞薩電子頻頻啟動收購擴大自身的產(chǎn)品線。2017年，瑞薩電子以32億美元收購Intersil公司，2019年以67億美元完成對IDT公司的收購，今年8月瑞薩電子再次以約48億歐元收購Dialog公司。通過一系列的收購，瑞薩電子將觸角擴大到嵌入式處理器、模擬、電源和通信連接等諸多領域。
瑞薩作為全球領先的半導體廠商，具有多年研發(fā)經(jīng)驗和市場積累，并具有與客戶的直接溝通優(yōu)勢。小型、低成本FPGA的推出對FPGA龍頭企業(yè)的高端產(chǎn)品或許不會造成太大沖擊，但不可避免的會對中低端FPGA的生產(chǎn)廠商形成巨大的競爭壓力。
盡管此時談其對市場的沖擊尚早，F(xiàn)PGA并非終端產(chǎn)品，應用場景還需要拓展，需要依賴瑞薩自身結合MCU、模擬、電源等開發(fā)出組合產(chǎn)品，拿出較好的應用范例。但瑞薩的入場，也給看似穩(wěn)固的FPGA市場增添了一絲波瀾。

• 獨立FPGA企業(yè)再生波瀾

波瀾還體現(xiàn)在另一方面，隨著賽靈思被AMD收購的行進，以及早期Altera被英特爾的并入，在巨頭先后被收購之后，F(xiàn)PGA垂直賽道似乎缺少了絕對的領導者，獨立FPGA企業(yè)（包括Lattice、Achronix、Flexlogic等以及國內(nèi)FPGA企業(yè)）的未來成為了很多人關心的問題。
從Achronix發(fā)展來看，盡管市場份額依舊被兩大巨頭牢牢把持，但在細分領域挖掘機會的Achronix也形成了自己的特色和獨特的競爭力，除了“傳統(tǒng)”FPGA芯片產(chǎn)品之外，Achronix還是目前主要的嵌入式FPGA（eFPGA）的主要IP提供商。
上文也有介紹，與獨立的FPGA設計過程不同，eFPGA設計者可以選擇客戶應用程序所需的邏輯、DSP和內(nèi)存資源，進一步提高靈活性，同時還能夠降低系統(tǒng)成本。另外，eFPGA的最主要特點是能將可編程邏輯單元與其他ASIC IP整合到同一款SoC中，在縮小芯片面積的同時降低系統(tǒng)功耗，具有低延遲和高帶寬的優(yōu)點。從其發(fā)展路徑來看，Achronix正在憑借獨一無二的模式在FPGA突圍路上躍躍欲試。目前，Achronix的eFPGA IP廣泛應用高性能、計算密集型和需要實時處理的應用程序，比如AI、機器學習、5G和汽車等，將目標瞄準近100億美元的數(shù)據(jù)加速市場，預計到2025年，其復合年增長率將達到兩位數(shù)。此外，Achronix已經(jīng)將自己的FPGA調(diào)整為成為下一代數(shù)據(jù)中心核心的DPU，搶占行業(yè)先機。

能夠發(fā)現(xiàn)，在新的需求不斷涌現(xiàn)、算法迅速迭代的新時代，加強創(chuàng)新、關注新興市場和差異化市場，形成行業(yè)壁壘，或是獨立FPGA企業(yè)新的追趕機遇。
但也有觀點指出，從短期來看，巨頭公司間的并購可能會對整體市場帶來一些短暫的波動，例如價格，交期等各方面的影響。但從長遠來看，這種波動會很快平息，市場會逐漸趨于穩(wěn)定。
或許吧，在任何穩(wěn)固的市場中都難有實現(xiàn)突圍的機會。對于中小FPGA廠商來說，能做的可能就是在每一次短暫的波動中尋求機遇，快速發(fā)展。否則，終將被趨于穩(wěn)定后的市場再次拉大距離。 

當前時代，計算力就是生產(chǎn)力。算力的變革往往會催生新的計算形式，并驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈的整合兼并。曾經(jīng)，原型設計、新品開發(fā)等需求催生了靈活可編程的“萬能芯片”FPGA。如今，數(shù)據(jù)中心、AI、5G等高算力需求，正在為FPGA開辟新的市場空間。
在下一波計算浪潮中，預計業(yè)界將繼續(xù)采用FPGA來支持更多應用和進一步的發(fā)展，諸如智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛、邊緣計算、以及用于可編程無線電和前傳融合的5G基礎設施等等。面對巨大的市場前景和機遇，行業(yè)玩家紛紛入局，試圖分一杯羹。
縱觀行業(yè)格局，在全球范圍內(nèi)，F(xiàn)PGA行業(yè)的主要市場份額常年被賽靈思和英特爾兩家公司牢牢掌握，兩者市場占比合計超過85%。隨著時間的積累，這兩家公司逐漸構建起一道由上萬件核心技術專利組成的“護城河”，而這條護城河也成功阻止了很多FPGA公司進一步發(fā)展的腳步。一些存活下來的公司，比如Lattice和Microsemi也往往只能靠劍走偏鋒，專攻低功耗、航空航天等特殊的應用領域，當前合計占據(jù)5.6%的市場份額。
FPGA是一個技術壁壘高的行業(yè)，硬件結構復雜且良率低，隨著FPGA芯片密度越來越高，軟硬協(xié)同研發(fā)對設計公司提出了更大的難度。由于起步時間較晚，產(chǎn)品迭代優(yōu)化均需要長期積累，國產(chǎn)FPGA廠商在生態(tài)系統(tǒng)、專利技術、研發(fā)人才、研制難度等方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。目前在FPGA IP領域，國內(nèi)既缺乏諸如Cadence等此類IP公司，Achronix此類的細分化、專業(yè)化的IP公司也尚未出現(xiàn)，IP均存在嚴重依賴。
但盡管市場被國外企業(yè)高度壟斷，中國FPGA的市場規(guī)模及前景也不容忽視。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，中國FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2020年的約150.3億元，年均復合增長率約為23.1%。隨著5G、AI以及數(shù)據(jù)中心等市場的發(fā)展，國產(chǎn)替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望持續(xù)擴大。預計到2025年，中國FPGA市場規(guī)模將達到約332.2億元，增速遠高于全球市場。
從整個產(chǎn)業(yè)鏈或芯片品類來看，F(xiàn)PGA或只是小眾的芯片，但在各新興市場不斷涌現(xiàn)，半導體國產(chǎn)化替代趨勢逐漸加速的市場現(xiàn)狀下，本土企業(yè)在每一種技術路線上都有更多的發(fā)揮空間。有業(yè)內(nèi)人士表示，在這輪FPGA市場的變革當中，國產(chǎn)獨立FPGA企業(yè)將承擔更多國產(chǎn)化需求角色。與此同時，國產(chǎn)獨立FPGA企業(yè)也將更多的助力遍地開花的國產(chǎn)芯片企業(yè)的崛起，并在差異化應用場景滿足各類需求。
結合近日剛剛登陸科創(chuàng)板的安路科技，以及高云半導體、紫光同創(chuàng)、復旦微電子、京微齊力等本土FPGA廠商的動態(tài)和產(chǎn)品進展，都呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。但景氣背后，從技術層面來看，獨立的國產(chǎn)FPGA和國外巨頭差距仍舊較大。
正如“老石談芯”所強調(diào)的：技術的發(fā)展沒有捷徑，不要過分迷信“彎道超車”。特別是對于專利壁壘極高的FPGA產(chǎn)業(yè)，不論是芯片架構、關鍵IP、高速接口等芯片硬件設計，還是FPGA設計工具和生態(tài)系統(tǒng)建設，都不太可能通過一次次“彎道超車”實現(xiàn)。Achronix的技術積累并非一蹴而就，而是需要長達十幾年的時間不斷沉淀和創(chuàng)新。只有不斷在正確的賽道上積累和加速，才能像Achronix那樣，有朝一日在主流舞臺和那些主要玩家們同場競技。
國內(nèi)FPGA企業(yè)要擁抱新技術、新方向，去發(fā)掘更多的差異化市場，貼合細分市場需求進行“微創(chuàng)新”；要有離開“舒適區(qū)”，敢于對決的勇氣，向不斷蓬勃涌現(xiàn)的新興FPGA應用領域發(fā)起沖擊。