從全球范圍來(lái)看，可編程邏輯器件PLD(注：PLD市場(chǎng)包括FPGA和CPLD，其中FPGA占據(jù)85%以上的PLD市場(chǎng))相對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)中其他芯片而言，是一個(gè)“小眾”市場(chǎng)。從市場(chǎng)研究公司iSuppli在2012年3月發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，可編程邏輯器件市場(chǎng)估計(jì)為52億美元。但根據(jù)另一家國(guó)際研究暨顧問(wèn)機(jī)構(gòu)Gartner對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)增長(zhǎng)趨勢(shì)的分析結(jié)果得出，可編程邏輯器件保持著強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭，在所有芯片種類(lèi)復(fù)合年均增長(zhǎng)率中CAGR位列第一。

四巨頭占據(jù)98%市場(chǎng) FPGA迎來(lái)爆發(fā)期

從Xilinx 27年間的收入曲線(xiàn)可以看出，2011年開(kāi)始了高速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率達(dá)到30%。這也說(shuō)明，經(jīng)歷了幾年平穩(wěn)發(fā)展的時(shí)期，F(xiàn)PGA市場(chǎng)已經(jīng)迎來(lái)了全面爆發(fā)的時(shí)期。

從可編程邏輯器件領(lǐng)域的玩家可以了解到，這個(gè)行業(yè)又是一個(gè)高度壟斷的行業(yè)，全球目前只有四家能大規(guī)模量產(chǎn)這類(lèi)芯片的公司，即賽靈思Xilinx、阿爾特拉Altera、萊迪思Lattice和美高森美Microsemi。同時(shí)這些公司都在美國(guó)，他們占據(jù)了98%以上的市場(chǎng)份額，申請(qǐng)了將近6000余項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，形成了技術(shù)壁壘。

以Xilinx為例，根據(jù)Xilinx 2011財(cái)年財(cái)報(bào)顯示，來(lái)自通信市場(chǎng)的收入達(dá)到11.05億美元，同比增長(zhǎng)29%，占據(jù)了整個(gè)Xilinx收入的47%。接下來(lái)的分別是工業(yè)控制、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)處理、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域。iSuppli在2010年第四季度公布的市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，截至2014年的5年內(nèi)，ASIC和ASSP市場(chǎng)逐漸向FPGA市場(chǎng)傾斜，從580億美元市場(chǎng)分流120億美元到FPGA領(lǐng)域。在過(guò)去10年，ASIC市場(chǎng)份額減少了50%，這部分市場(chǎng)被FPGA行業(yè)成功占據(jù)。而這從Xilinx成立27以來(lái)的收入增長(zhǎng)就可以看出。1997年，Xilinx收入為5.68億美元，而2011年，其收入達(dá)到了23.69億美元。

從Xilinx 27年間的收入曲線(xiàn)可以看出，2006年至2010年間，其收入基本是保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，而2011年卻開(kāi)始了高速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率達(dá)到30%。這也說(shuō)明，經(jīng)歷了幾年平穩(wěn)發(fā)展的時(shí)期，F(xiàn)PGA市場(chǎng)已經(jīng)迎來(lái)了全面爆發(fā)的時(shí)期。

另外，在全球半導(dǎo)體聯(lián)盟GSA于2013年4月剛發(fā)布的報(bào)告中，公布了頂尖20家半導(dǎo)體公司截止到2012年第四季度時(shí)的產(chǎn)品毛利率數(shù)據(jù)?？删幊踢壿嬈骷纱髲S(chǎng)商Altera和Xilinx榜上有名，分別以69.7%和66.6%位居前列。由此可得，這個(gè)行業(yè)是一個(gè)毛利率非常高和高凈利率的行業(yè)。

上述四家FPGA廠(chǎng)商的產(chǎn)品都有其特點(diǎn)，例如Xilinx硬件(器件)性能更優(yōu)異、品種繁多、覆蓋面非常廣;Altera軟件(工具)性能更優(yōu)異、品種也很多、市場(chǎng)覆蓋也很廣;Lattice主要面向低端的低成本器件和低功耗器件領(lǐng)域，但品種有限;Microsemi主要面向軍工產(chǎn)品，擅長(zhǎng)以加固技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件高可靠性。

根據(jù)器件發(fā)展歷程以及市場(chǎng)應(yīng)用需求發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)PGA今后仍然主要朝以下幾大方向發(fā)展：第一，高密度、高速度、寬頻帶、高保密;第二，低電壓、低功耗;第三，低成本、低價(jià)格;第四，IP核復(fù)用、系統(tǒng)集成;第五，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)及單片集群。這些發(fā)展方向并不相互排斥，從Xilinx和Altera最新發(fā)布的器件來(lái)看，他們可能結(jié)合幾種發(fā)展方向上的特點(diǎn)形成功能性能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。

核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán) 考驗(yàn)國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)

國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商應(yīng)關(guān)注并解決好內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題和軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。在可編程邏輯器件里，其內(nèi)核架構(gòu)是知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重點(diǎn)，各公司有超過(guò)1/3的專(zhuān)利技術(shù)都是從此角度來(lái)申請(qǐng)并進(jìn)行保護(hù)。

面對(duì)市場(chǎng)的壓力以及強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，國(guó)產(chǎn)FPGA公司該如何發(fā)展?產(chǎn)業(yè)化之路該如何走?我們國(guó)內(nèi)每一位從事該行業(yè)的人員都應(yīng)該問(wèn)自己這個(gè)問(wèn)題。首先應(yīng)該從核心或關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題角度來(lái)思考。

第一，解決具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPGA內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。其核心架構(gòu)包括：一是基本可編程邏輯單元的設(shè)計(jì)，如查找表LUT(Look-Up Table)、寄存器(FlipFlop)和邏輯單元內(nèi)部其他特殊邏輯功能與選擇器。二是異構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，如內(nèi)嵌存儲(chǔ)塊(BRAM或EMB)、內(nèi)嵌快速算術(shù)單元(MAC或DSP)、輸入輸出接口模塊(IO)和面向應(yīng)用或具備固定功能的硬核模塊(Hard IP)。三是互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如用于同構(gòu)單元間的局部或全局連線(xiàn)資源(基本互連單元Xbar，多路選擇器Mux，不同類(lèi)型的通道Track、Channel等)、全局網(wǎng)絡(luò)資源(時(shí)鐘Clock、復(fù)位Reset、使能Clock Enable等)、特殊通道資源(快速連線(xiàn)Crosslink，快速數(shù)據(jù)通道等)和與其他異構(gòu)單元、IO模塊、微處理器核、存儲(chǔ)體等系統(tǒng)連線(xiàn)資源。

在FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)中最為核心的內(nèi)容是邏輯單元的設(shè)計(jì)和布線(xiàn)互連資源的設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA核心架構(gòu)設(shè)計(jì)就是要追求在某種定義的邏輯單元與布線(xiàn)資源下使得芯片功能與性能最優(yōu)。

第二，解決具有微處理核或其他異構(gòu)單元的FPGA系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)定義與設(shè)計(jì)問(wèn)題。如前所述，F(xiàn)PGA系統(tǒng)芯片是未來(lái)FPGA器件的發(fā)展趨勢(shì)，因此FPGA系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)除了完成FPGA內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，還應(yīng)考慮其他模塊(特別是微處理單元、存儲(chǔ)體、專(zhuān)用功能模塊、模擬模塊和輸入輸出部分等)與FPGA內(nèi)核本身互連互通的設(shè)計(jì)。FPGA系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)偏向于從系統(tǒng)層面來(lái)考慮問(wèn)題，包括可編程邏輯部分與非編程邏輯部分互連通道結(jié)構(gòu)、I/O模塊與內(nèi)部各模塊的互連方式、異構(gòu)存儲(chǔ)模塊的劃分和配置，以及系統(tǒng)中各模塊的物理分布結(jié)構(gòu)等。利用高效的布線(xiàn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)多路復(fù)用器將每個(gè)可編程邏輯單元與其他各類(lèi)異構(gòu)單元連接成高度關(guān)聯(lián)的矩陣，矩陣內(nèi)的資源提供靈活多樣的接入或輸出方式，有效地實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)通路，使FPGA系統(tǒng)芯片更加符合特定應(yīng)用領(lǐng)域的需求，確保結(jié)構(gòu)更優(yōu)、性能更高、功耗更小、成本更低、產(chǎn)品周期更長(zhǎng)。

如何設(shè)計(jì)FPGA系統(tǒng)芯片是非常關(guān)鍵的問(wèn)題，也是技術(shù)難點(diǎn)。在FPGA系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)范疇內(nèi)，不能簡(jiǎn)單地將其理解為純的FPGA芯片，可以理解為具備微處理單元的可配置的系統(tǒng)芯片。CPU+FPGA這種模式的出現(xiàn)是必然的趨勢(shì)，它最大限度地發(fā)揮了軟件可編程、硬件可重構(gòu)的特點(diǎn)。

第三，解決FPGA軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。一個(gè)好的FPGA架構(gòu)能有效地支持FPGA軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)一個(gè)好的FPGA軟件能最大限度地利用FPGA架構(gòu)的特性來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在定義架構(gòu)的同時(shí)，事實(shí)上就應(yīng)有輔助架構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件分析與評(píng)估工具。這些工具會(huì)輸入架構(gòu)的參數(shù)化描述，同時(shí)基于大量的測(cè)試實(shí)例，反復(fù)迭代優(yōu)化，調(diào)整優(yōu)化算法，逼近優(yōu)化目標(biāo)。

FPGA的軟件流程包括綜合映射、布局布線(xiàn)等核心步驟。從設(shè)計(jì)優(yōu)化的角度來(lái)說(shuō)，主要以面積、速度、功耗為優(yōu)化目標(biāo)，努力滿(mǎn)足各項(xiàng)用戶(hù)約束并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。在這其中，每一個(gè)關(guān)鍵步驟都是多目標(biāo)的NP組合優(yōu)化問(wèn)題，如何能在最短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)解一直是技術(shù)難點(diǎn)。

在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，對(duì)FPGA的誕生起到至關(guān)重要作用的專(zhuān)利在幾年前到期，已不再受保護(hù)。其中包括在1988年授予賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人Ross Freeman的原始FPGA專(zhuān)利。不過(guò)大多數(shù)專(zhuān)利仍由Xilinx和Altera把持。需要指出的一點(diǎn)是，在可編程邏輯器件里，其內(nèi)核架構(gòu)是知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重點(diǎn)，各公司有超過(guò)1/3的專(zhuān)利技術(shù)都是從此角度來(lái)申請(qǐng)并保護(hù)。

各家FPGA公司都圍繞其內(nèi)核結(jié)構(gòu)大做文章。但架構(gòu)本身并無(wú)一種“最好最優(yōu)”的說(shuō)法。我們經(jīng)?？吹絏ilinx和Altera在發(fā)布最新器件系列白皮書(shū)時(shí)分析并指出對(duì)方架構(gòu)潛在的缺點(diǎn)，以對(duì)比突出自身產(chǎn)品架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA內(nèi)核架構(gòu)是集多種約束條件考慮下，如評(píng)估測(cè)試、工藝制造、管腳封裝、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等，使實(shí)現(xiàn)結(jié)果達(dá)到平衡折中的一種體現(xiàn)。而國(guó)內(nèi)的FPGA廠(chǎng)商關(guān)注并解決好其內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題和軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題即可。

突破國(guó)外壟斷 創(chuàng)新是關(guān)鍵

如何突破、如何創(chuàng)新一直是困擾國(guó)內(nèi)FPGA公司的難題。做中低端產(chǎn)品，在同樣工藝節(jié)點(diǎn)下如何有效地解決芯片成本、性能和功耗問(wèn)題是關(guān)鍵。做高端產(chǎn)品，如何解決產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題以及如何開(kāi)發(fā)高效能的軟件工具是關(guān)鍵。

從FPGA芯片研制的工程化方面來(lái)思考問(wèn)題。

第一，F(xiàn)PGA芯片工程化的挑戰(zhàn)主要涉及三大過(guò)程：從市場(chǎng)需求文檔的定義，到設(shè)計(jì)文檔生成，再到實(shí)現(xiàn)流片的全過(guò)程;從樣片測(cè)試與調(diào)試，到問(wèn)題檢驗(yàn)與修復(fù)，再到芯片量產(chǎn)全過(guò)程;芯片量產(chǎn)后的過(guò)程(測(cè)試環(huán)境再驗(yàn)證、產(chǎn)品數(shù)據(jù)再驗(yàn)證、產(chǎn)品可靠性再驗(yàn)證)。

由于芯片工程化的過(guò)程是在一定時(shí)間、一定資源條件約束下來(lái)開(kāi)展的，因此需要遵循有效的“時(shí)間/過(guò)程/質(zhì)量”綜合的管理方法。研制樣片不是一件難事，而將樣片量產(chǎn)，真正交貨到客戶(hù)手上并非易事，需要多方位多層次的團(tuán)隊(duì)合力促成。

第二，軟件工程化的挑戰(zhàn)主要包括：對(duì)大型軟件工具開(kāi)發(fā)的能力(軟件能力成熟度模型)、對(duì)軟件工程規(guī)范性的執(zhí)行能力、對(duì)軟件開(kāi)發(fā)成果的持續(xù)積累能力。

FPGA軟件產(chǎn)品中EDA工具的開(kāi)發(fā)是一個(gè)持續(xù)性并不斷“自我學(xué)習(xí)”的過(guò)程，它與內(nèi)核架構(gòu)的融合需要很長(zhǎng)的時(shí)間，不是一蹴而就的事情。如果把FPGA產(chǎn)品研發(fā)中為硬件所付諸的努力比作“1”的話(huà)，那么為軟件要付諸的努力大于“2”。從產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的角度來(lái)看，軟件的比重會(huì)越來(lái)越重。很多FPGA初創(chuàng)公司之所以失敗也是因?yàn)檐浖ぞ邲](méi)做好。

接著考慮一下國(guó)產(chǎn)FPGA市場(chǎng)環(huán)境、投入和發(fā)展現(xiàn)狀問(wèn)題。眾所周知，F(xiàn)PGA在經(jīng)濟(jì)發(fā)展各領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，中國(guó)民用市場(chǎng)上的FPGA器件幾乎100%地依賴(lài)進(jìn)口，市場(chǎng)容量估計(jì)每年超過(guò)10多億美元。但美國(guó)銷(xiāo)售許可的限制不僅影響華為、中興等中國(guó)巨型企業(yè)依賴(lài)進(jìn)口FPGA核心器件開(kāi)發(fā)整機(jī)產(chǎn)品的能力，也會(huì)影響其他重要行業(yè)在產(chǎn)品布局和商業(yè)模式上的考慮。雖然中國(guó)各級(jí)政府多年來(lái)投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，但由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)、軟件技術(shù)和生產(chǎn)工藝等多方面的限制，關(guān)鍵技術(shù)難以突破，未真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)化。

另外，國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商通過(guò)為那些不具備獨(dú)立流片條件的企業(yè)提供基于FPGA技術(shù)的產(chǎn)品，幫助他們?cè)诙喾N領(lǐng)域內(nèi)靈活解決終端客戶(hù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這種模式符合國(guó)內(nèi)中小企業(yè)多、研發(fā)力量弱的實(shí)際情況。中國(guó)市場(chǎng)聚集了眾多以方案設(shè)計(jì)/系統(tǒng)整合為主的高科技企業(yè)，這些企業(yè)能夠在具有不同特點(diǎn)的低端和中高端FPGA產(chǎn)品的支持下，順利設(shè)計(jì)出自己的產(chǎn)品，快速走向市場(chǎng)，以最低市場(chǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)。

但從事過(guò)FPGA芯片研制的企業(yè)常言FPGA“麻雀雖小，卻五臟俱全”。例如其研發(fā)周期不同于A(yíng)SIC等其他芯片的研發(fā)周期?？赡芤淮晒Φ漠a(chǎn)品花費(fèi)7年甚至10年周期不足為奇，包括市場(chǎng)分析、產(chǎn)品定位、架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件支撐、芯片制造/封裝/測(cè)試等一系列過(guò)程。然而對(duì)于軟件而言，可能需要在此基礎(chǔ)上再花好幾年的時(shí)間才能最大限度地發(fā)揮這款芯片的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

再者，在FPGA行業(yè)高度壟斷的情況下，如何突破、如何創(chuàng)新一直是困擾國(guó)內(nèi)FPGA公司的難題。如果做中低端產(chǎn)品，在同樣工藝節(jié)點(diǎn)下如何有效地解決芯片成本、性能和功耗問(wèn)題是關(guān)鍵。做高端產(chǎn)品，如何解決產(chǎn)品的可靠性以及如何開(kāi)發(fā)高效能的軟件工具是關(guān)鍵。

最后，即使有了好的芯片和開(kāi)發(fā)工具還不夠，還需要更多的應(yīng)用開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行支持。FPGA不是終端產(chǎn)品，其本身是一張白紙，需要由方案設(shè)計(jì)人員在上面勾畫(huà)出美景。因此上文有提到，如果把硬件實(shí)現(xiàn)比作“1”的話(huà)，軟件開(kāi)發(fā)要大于“2”，而為應(yīng)用開(kāi)發(fā)所付諸的努力則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“4”。如果一個(gè)FPGA產(chǎn)品沒(méi)有好的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)各類(lèi)應(yīng)用或參考設(shè)計(jì)，產(chǎn)品也很難在市場(chǎng)上有所表現(xiàn)。