FPGA设计概述 FPGA在各领域的应用

FPGA（Field Programmable Gate Array）于1985年由xilinx创始人之一Ross Freeman发明，虽然有其他公司宣称自己最先发明可编程逻辑器件PLD，但是真正意义上的第一颗FPGA芯片XC2064为xilinx所发明，这个时间差不多比摩尔老先生提出著名的摩尔定律晚20年左右，但是FPGA一经发明，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象，近些年的FPGA，始终引领先进的工艺。

FPGA发明后，在这个行业里面曾经出现过不少玩家，比如xilinx、altera、lattice、actel、cypress，atmel等，经过十几年的厮杀，玩家逐渐减少，这些公司或者出售，或者退出，如cypress，atmel完全退出，actel出售给microsemi，altera被intel收购，但这两个厂家还在这个行业。现在国际上的主流厂家实际只剩xilinx，altera（intel），lattice和microsemi四家。而前两者是绝对的霸主，占据市场总份额的近90%，处在第一阵营。后两者份额在百分之十左右，处在第二阵营，但和第一阵营差距非常大。与国际上巨头的兼并和退出相反，近些年国内陆续诞生了一些FPGA设计公司，且有蒸蒸日上的趋势，但在市场份额及技术方面和国际巨头差距非常大，还远未达到挑战领先巨头的实力，后面会对国内厂家做些分析。

下面再来简要介绍FPGA设计，这里的FPGA设计不是研发FPGA芯片，而是用FPGA做产品设计。业界普遍认为FPGA设计门槛很高，相对软件设计，差别在哪呢？现在FPGA的主流设计还是采用verilog设计（早期有使用原理图方式，这个方式更接近硬件搭积木，但大规模的设计无法完成）。用matlab，C语言做算法设计，然后通过工具直接转化为verilog的方式，喊了十几年，到现在还未成为主流，说明工具在转化verilog方面其效果还不如有经验的FPGA人员写的代码。Verilog语言本身非常简单，但FPGA设计的难点并不在语言，而是对FPGA器件内部资源和硬件的熟悉，你写的语言能和你使用的目标器件高效的配合起来，使它的效果、利用率以及程序的可读性达到最优，这个难度就非常大了。笔者曾经牵头编写了某大型公司整个无线产品的coding style，有近200条规定，这些规定是几十个FPGA开发人员多年经验的积累，不按这个来，随时可能是个坑。好的coding style，不仅程序写得很美观，可读性好，也不容易出bug。一般来说，要成为一个有经验的FPGA设计人员，起码得从事相关工作5年以上，经历过3个以上大型项目的锻炼，而且需要有高手带。笔者曾经面试过的大量的FPGA开发人员，基本上从研究所、小公司或者小团队出来的，尽管有些工作了很多年，其底子也不是太好（这里没有歧视研究所和小公司的意思，术业有专攻而已）。因此，如果想在FPGA设计领域做得很深入，国内著名通信设备厂家绝对是最好的选择，没有之一。当然，如果有IC设计经验的人，转为FPGA开发，则会快很多，而且基本功也很扎实，但需要补充行业、系统经验。

FPGA从诞生起，就注定和ASIC站在不同的阵营。ASIC是固化好的芯片，不可以进行硬件编程（上面跑软件的不属于硬件编程）而随意改变硬件结构，而FPGA则可以根据设计者的需要改变硬件结构。因此，从灵活性来说，FPGA远强于ASIC芯片，而且FPGA开发周期也比ASIC要短，因此在有些领域或者场景下，FPGA比ASIC有优势，比如通信领域，协议标准还不成熟时，各个厂家大量的私有接口，使用FPGA能快速推出产品，而且高度灵活满足了非标准接口的开发。再比如工业领域，很多功能也可能是非标的，很难找到合适的ASIC芯片，这时FPGA也是很好的选择。但是FPGA也有它的弱点，为了保证灵活性，芯片里面预留了可配置逻辑，即相对ASIC增加了冗余的面积，这样既增加了成本也增加了功耗，这就决定了在有些领域里面它很难竞争过ASIC，比如终端产品，它对低功耗要求比较高。在标准化的产品、功能里面，它不需要那么灵活，这也不是FPGA的菜。因为终端产品量非常大，而且这个世界上大部分东西都是有共性的，即可以标准、通用的可能性大，因此，FPGA在整个芯片行业占比总体来说比较小。这些年FPGA总体市场规模在40亿美金左右（加上CPLD大概在50多亿美金），而2016年全球芯片市场规模大概在4000亿美金左右。

总体来说，由于FPGA本身的特点，决定了它不是在每个行业、产品都适合应用，标准化的，功耗要求很严格的，单价很低的产品都不适合，而这些恰恰是电子产品中占比大的，事实上，FPGA用得比较多的行业主要有通信、工业控制、医疗设备、及高端安防等，以及航天和军工（可靠性要求高，但量不大），未来可能数据中心和AI会是一个爆发点，后面会做分析。

在芯片应用行业，计算机和通讯是最大的两个领域，而对于FPGA来说，应用的第一大领域是通讯而不是计算机。PC机虽然数量及其巨大，但PC机里面没有FPGA芯片，原因是PC机是一个高度标准化的产品，因此PC机里面所有芯片用ASIC实现不仅可行，而且是经济的。而服务器、大型机里面开始逐步在使用FPGA，主要用于大数据的协处理，目前量还不大，远远无法和通信产品使用的FPGA相比，但未来潜力很大，后面会做进一步介绍。

通信产品可以从云、管、端层面来划分，端不大适合使用FPGA，如前所述，因为FPGA功耗相对ASIC偏大，至于前段时间吵得沸沸扬扬的lattice FPGA芯片用于三星和苹果7的手机案例，实属特例，千万不要认为未来FPGA能大规模进军消费电子，从而使得FPGA市场规模将成倍甚至数十倍的增加，至少短期内可能性不大。

通信行业讲的云主要包括核心网及各种服务器中心，在大数据和云计算没有规模应用之前，核心网设备里面基本没有FPGA，因为核心网所处理的协议其实非常标准化，变化不是太大，我们常见的2G-3G-4G以及即将到来的5G，其标准的核心部分实际上主要体现在物理层和逻辑层，而这些功能主要在管道（基站、基站控制、承载、传输等产品）中实现，这些标准变化快，各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点，甚至在标准还未冻结之前就推出原型样机甚至小批量，而这只有FPGA能做到。一般来讲越往终端侧靠近，设备的数量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心网侧用的FPGA数量越少，但FPGA芯片的型号越高端，单片更贵。考虑量、价因素，最终还是基站侧用的FPGA总价高。

为什么是基站（也可以说是管道）最适合用FPGA，而且总价最高。首先因为基站的量非常大，基站虽然和手机的量没法比，但远多于核心网数量，据不完全统计，全球存量基站有数千万（5G部署后，可能会轻松破亿），每个基站里面有数块到10数块板子（根据配置不同而不同），除了电源和风扇板子没有FPGA芯片外，几乎每块板子都有FPGA芯片，有的还不止一颗。其次，基站里面用的FPGA型号也不会太低端，因为要处理复杂的物理协议、部分算法和逻辑控制，接口速率更是一个重要的考虑。一般来讲，基站中的芯片价格在一百到数千元人民币不等。价格过高比如几千甚至上万人民币的芯片，最多在初期原型验证用，不会大规模发货。最后，基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分，这部分内容每年都在升级，而且也比较适合FPGA来实现，尤其是协议未完全冻结时，最适合FPGA来处理，因为可以通过升级FPGA版本来应对协议变动，待协议完全冻结后，各设备厂家会逐步以ASIC来替代之前的FPGA，因为量达到一定程度后，ASIC的成本和功耗优势就体现出来了，而且大型设备商的ASIC化能力又非常强，因此FPGA在通信领域主要在初、中期应用比例高，后期能被替代的都被ASIC替代了，只留下一些接口类的FPGA，这也是FPGA厂商必须要面对的一个现实。

除了通信领域，FPGA在安防和工业领域也存在大量应用。在安防领域，视频的编解码比如MPEG和H.26x等协议基本由专用ASIC实现，但是前端的数据采集处理及部分控制逻辑可以由FPGA来处理，因为安防也是一个巨大的产业，因此，FPGA的用量也是非常可观的。工业领域主要用FPGA的灵活性来做控制，而且主要是规模比较小的FPGA。此外，军工和航天也是FPGA应用的一个重要领域，军工和航天对FPGA的可靠性要求更高，除了xilinx和altera有军工产品外，microsemi（前actel）的anti-fuse工艺（一次编程，可以更好的抗干扰和抗辐射等）FPGA因其高可靠性，主要用于军工航天产品。