FPGA从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心

作为一种可编程逻辑器件，FPGA在二十多年的发展历程中，从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心。随着人工智能、机器学习、工业控制、无人驾驶、大数据等对并行计算有强烈的需求，以及半导体工艺技术的进步，FPGA的未来被持续看好。在此背景下，中国发展FPGA有着重要意义。为此，《中国电子报》在“中国工业强基战略推进论坛”上采访了广东高云半导体科技股份有限公司董事长陈天成、副总裁兼首席技术执行官朱璟辉。

FPGA在工业控制中应用不断扩大

《中国制造2025》是我国工业制造业的十年发展规划，它的出台将互联网和制造业更加紧密地结合起来，工业设备的自动化、控制技术的智能化发展趋势已经成为人们的共识。受益于工业自动化与智能化的发展，拥有弹性设计特性的FPGA有望更加广泛地应用到工业系统的各个环节当中。

对此，朱璟辉表示，在传统的工业控制领域，FPGA已经有了较多的应用，如PLC、人机界面HMI控制、马达控制、视频监控、机器视觉等，是工业控制系统中重要的基础器件。FPGA的可程序化逻辑特性，让它比其他ASIC或MCU有更大的设计弹性。

朱璟辉进一步指出：“随着科技的进展，制造业走向更高度的自动化与智能化，对工业控制技术等领域不断产生新的需求，在未来的工业制造领域，FPGA将有更大的发展空间。目前来看有两个领域的应用前景十分巨大：一是工业互联网领域。作为未来制造业发展的方向，工业大数据、云计算平台、MES系统等都是支持工业智能化的重要平台，它们需要完成大数据量的复杂处理，FPGA在其中可以发挥重要作有；二是工业机器人设备领域。在多轴向运作的精密控制、实时同步的连接以及设备多功能整合等方面，兼具弹性和整合性的FPGA，更能展现设计优势。”

更高度的功能整合、降低成本，缩小产品尺寸，将是工业4.0时代的发展大趋势。FPGA可以助推这个趋势的发展。

其实除了工业应用之外，FPGA的应用领域还有很多。资料显示，如果依销量为序，FPGA的应用市场依次为通信、工业军事航空、消费、数据中心、汽车和医疗。“随着技术的发展，新的应用市场不断出现，现在人工智能、机器学习、无人驾驶、大数据等，对并行计算都有着强烈的需求，而这些正是FPGA拥有天然优势的新方向。如汽车ADAS，需要处理实时高清图像，进时分析识别与处理，FPGA的作用明显。在人工智能方面，深度学习神经网络也需要进行大量并行运算。”朱璟辉说。

当前是中国发展FPGA的有利时机

正是由于FPGA在网络通信、芯片设计原型验证、军事航空、大数据并行运算等领域具有战略价值。中国非常有必要发展FPGA产业。据业内人士称，FPGA市场基本上国外Xilinx、Altera、Lattice三家为大。近些年来，国内一些FPGA厂商也在掘起，如高云半导体、同创国芯、安路科技等。不过，从公开数据来看，目前的国产FPGA市场自给率很低，小于1%。从技术上看，国际公司已覆盖65/55/40/28/20/16纳米程制，从1K到KKLUTs形成系列产品。国产FPGA只有65/55/40纳米、1L-55KLUTs的产品。

对此，朱璟辉表示，当前正是中国发展自主FPGA产业的重要窗口期。首先，FPGA的应用面正在拓宽，特别是《中国制造2025》、“强基战略”等对芯片安全、国产化有了迫切的需要，加上消费电子等领域潜在需求的爆发，中国正在成为PGA的重要市场。其次，随着国际巨头竞争的激烈，产业调整，导致优秀人才溢出，为国内FPGA厂商获得高端人才创造了条件。最后，国际专利时效的到期（特别是基础专利），也为国内厂商进行技术性规避创造了条件。

朱璟辉进一步表示：“高云半导体致力于FPGA的国产化。2016年已完成中低密度的产品布局。其中1万-100万门非易失产品系列，采用台积电55纳米嵌入Flash工艺，产品直接竞争AlteraMAXV10和LatticeXO2/3；100万门-500万门易失性FPGA产品，采用台积电55nm基于SRAM，可与XillinxSpartan及AlteraCyclone系列PK。应用可以覆盖视频、工业控制和消费和安全领域，逐步渗透机器学习、物联网、智能控制等领域。”

“下一步高云半导体将开展28纳米中高密度产品，切入通信及计算市场，计划在2017年推出500万-2000万逻辑门带高速接口类Xillinx7系列产品，进入通信、大数据高速运算等涉及国家安全急需的关键领域。”

嵌入式FPGA成败难料

在谈到FPGA的发展趋势时，朱璟辉表示，高密度、高速度、宽频带、高保密；低电压、低功耗、低成本；IP软/硬核复用、系统集成，紧密结合应用需求，多元化发展是FPGA的总体发展方向。

针对日前有公司推出嵌入式FPGA产品，朱璟辉认为，FPGA在大规模计算和可重构性有强烈需求的数据处理领域表现出色。那些对异构计算有需求的厂商将乐于看到嵌入式FPGA的推出。数据中心就是最好的应用市场之一。但是，FPGA需要有一个完善的复杂生态系统才能保证其使用。现在，从FPGA向eFPGA技术转变需要更复杂的生态系统，因为在这个过程中，需要针对不同的IP核定制一系列复杂的工具套件。因此，嵌入式FPGA概念虽好，想要发展起来仍将面临十分严峻的挑战。

FPGA关注的一个热点领域是目前红透半边天的机器学习。“这些应用是极具灵活性的FPGA天然优势领域所在。”朱璟辉表示，“在数据中心领域，FPGA也是一个不能忽视的重要角色。尤其是现在数据大爆发，对数据中心的需求激增，进而提高了对服务器降温和功耗的需求，具有天然优势的FPGA受到关注。那些原本跑在主处理器上，使用软件实现的功能，可以使用FPGA以硬件编程方式实现，而且更加节能。”