FPGA博弈戰(zhàn)持續(xù)，何時(shí)才能演進(jìn)成主流？

FPGA 自誕生以來，就一直沖擊著眾多的集成路電的神經(jīng)，尤其是 ASIC 芯片，得到了較大的發(fā)展，尤其是在電信領(lǐng)域。

因?yàn)殡娦蓬I(lǐng)域與其它行業(yè)不一樣，電信的標(biāo)準(zhǔn)是在不斷變化的，那么相關(guān)的設(shè)備也會不斷變化，如果你生產(chǎn)的設(shè)備自生產(chǎn)之后就定型了，一成不變了，肯定是不符合的。

而 FPGA 可以重新編程則讓電信設(shè)備即使在生產(chǎn)出來之后，也能夠進(jìn)行改變，所以電信行業(yè)一直是 FPGA 最大客戶。

由于 ASIC 需要很長時(shí)間才能完成，F(xiàn)PGA 提供了捷徑。電信設(shè)備的最初版本一般采用 FPGA，但 FPGA 高昂的價(jià)格引發(fā)了沖突，對電信行業(yè)而言，芯片的價(jià)格卻很重要。

如今，華為已成為 FPGA 的最大客戶。華為兩年前即提供了世界上最早的 5G 電信設(shè)備解決方案，相較于其他供應(yīng)商處于明顯優(yōu)勢，但中美之間最近的緊張關(guān)系很可能會導(dǎo)致產(chǎn)于美國的 FPGA 影響華為提供 5G 電信設(shè)備。

當(dāng)然，F(xiàn)PGA 雖然很重要，但在集成電路中的占比并不高，以 2018 年的數(shù)據(jù)為例，全球集成電路規(guī)模高達(dá) 4688 億美元，但 FPGA 僅占 69 億美元，只有 1.5%左右。

不過隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI 等發(fā)展，未來 FPGA 由于其靈活性及高速運(yùn)算能力，潛力非常大，甚至有機(jī)構(gòu)預(yù)測未來五年復(fù)合增速達(dá) 38.4%，地位越來越重要。

在 5G 的原型化階段，毫米波通道探測、Massive MIMO、超高密度網(wǎng)絡(luò)，以及多載波濾波等關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證面臨巨大的挑戰(zhàn)，這需要在測試設(shè)備上做出快速相應(yīng)協(xié)議的變化，推出可以靈活擴(kuò)展通道數(shù)量，自定義測試 IP，靈活覆蓋射頻頻段的需求。

SDR 技術(shù)中的 DSP 和 FPGA 具有可編程性，可以為 5G 技術(shù)驗(yàn)證帶來極大的靈活性。

SDR 在手機(jī)上的成功應(yīng)用，也意味著一個(gè)無線新時(shí)代的到來。SDR 正在逐步應(yīng)用到更多的產(chǎn)品和領(lǐng)域，芯片技術(shù)的發(fā)展是 SDR 技術(shù)發(fā)展的推動力。

SDR 可以支持無限量的通訊協(xié)議和多媒體應(yīng)用，這得益于 SDR 芯片的計(jì)算能力；物聯(lián)網(wǎng)、5G 等網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會給 SDR 帶來新的發(fā)展空間。

FPGA 給 SDR 應(yīng)用搭建了橋梁，F(xiàn)PGA 利用并行硬件的優(yōu)勢來完成一些高密度處理功能（如 DDC），利用可編程優(yōu)勢適應(yīng) DSP 的一些解碼和分析功能。雖然這些優(yōu)勢以增加功耗和成本為代價(jià)，但是這些對于器件的性能來說往往是次要的。

但是 SDR 技術(shù)的實(shí)施方式存在分歧，商業(yè)供應(yīng)商開發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，如今地球上的每個(gè)基站都有 SDR 技術(shù)。

另一方面，在國防界，SDR 是由大型國防承包商建造的，他們用有利可圖的傳統(tǒng)產(chǎn)品線來建造。

其結(jié)果是基于 FPGA 的無線電產(chǎn)品價(jià)格非常高，以至于美國部分國防市場對使用 FPGA 產(chǎn)生了持續(xù)的過敏反應(yīng)。

FPGA 沒有標(biāo)準(zhǔn)、開源、友好的編程模型，因此對于在所有 FPGA 芯片上均可工作或易于交叉編譯的 FPGA 程序，也沒有標(biāo)準(zhǔn)的市場。

數(shù)據(jù)中心中新 CPU 和 FPGA 進(jìn)入的主要障礙不僅在于速度和成本，還在于所有可能的 I/O 設(shè)備的軟件和驅(qū)動程序的可用性。

在數(shù)據(jù)中心使用 FPGA 時(shí)，目前的主要障礙是布局和布線。運(yùn)行專有 FPGA 供應(yīng)商軟件將電路映射到 FPGA 元件所花費(fèi)的時(shí)間，在大型 FPGA 和高速 CPU 服務(wù)器上，布局和布線需要長達(dá)三天，而且即使在使用三天后，很多軟件仍無法解決映射問題。

盡管如此，F(xiàn)PGA 仍然是一種快速進(jìn)入市場的方式，是獲得競爭優(yōu)勢的簡單方法以及在許多關(guān)鍵任務(wù)情況下必不可少的技術(shù)。盡管與 ASIC 相比，芯片價(jià)格昂貴。

然而，在與 CPU 或 GPU 上運(yùn)行軟件相比，在 HPC 和數(shù)據(jù)中心中，F(xiàn)PGA 的運(yùn)營成本大大降低。與 CPU 和 GPU 相比，所需的 FPGA 更少，所需的冷卻也更少。

使用 FPGA 的另一種方法是增強(qiáng) ASIC，構(gòu)建 ASIC 的目的是保持固定功能，同時(shí)添加 FPGA，為產(chǎn)品的最新更改或適應(yīng)不同市場提供一定的靈活性。

現(xiàn)代 FPGA 集成了越來越多的硬功能，變得越來越像 ASIC，而 ASIC 有時(shí)會在其設(shè)計(jì)中添加一些 FPGA 結(jié)構(gòu)，用于調(diào)試、測試、現(xiàn)場修復(fù)以及根據(jù)需要靈活地添加少量功能。

由于算法不斷變化，并且法律法規(guī)可能會在汽車進(jìn)入市場時(shí)發(fā)生變化，需要駕駛員更新，因此解決方案需要靈活。

FPGA 的時(shí)鐘頻率較低，散熱片較小，因此物理尺寸比 CPU 和 GPU ??；更低的功耗和更小的尺寸使 FPGA 成為顯而易見的選擇。

盡管如此，GPU 易于編程，并且不需要三天時(shí)間來實(shí)現(xiàn)布局和路線，因此對 FPGA 形成了一定挑戰(zhàn)。

此外，至關(guān)重要的是能夠在汽車和云中運(yùn)行相同的代碼（主要用于模擬和測試），因此 FPGA 必須先在云中使用，然后才能在汽車中使用。由于這些原因，許多開發(fā)人員更喜歡 GPU。

未來或許當(dāng)放棄數(shù)據(jù)流優(yōu)化以使 FPGA 易于編程時(shí)，F(xiàn)PGA 的性能將降低，因此它們將不再與 CPU 競爭，而 CPU 總是更易于編程。

現(xiàn)代接口正試圖使 FPGA 更易于編程，更加模塊化，并與其它技術(shù)更加協(xié)作。FPGA 支持 AXI（高級可擴(kuò)展接口）總線，這使它們更易于編程，但也帶來了極大的效率低下，使得 FPGA 的性能降低，最終競爭力大大降低。

通常，對于 NFV 和虛擬機(jī)加速而言，F(xiàn)PGA 必須直接連接到 CPU，并可能使用緩存一致性作為一種通信機(jī)制。

當(dāng)然，關(guān)鍵的功能是具備 FPGA 崩潰時(shí) CPU 不崩潰的能力，反之亦然。超標(biāo)量技術(shù)公司正在重新發(fā)現(xiàn) IBM 大型機(jī)的時(shí)代需求，從而將越來越多的復(fù)雜性帶入標(biāo)準(zhǔn)化平臺。

全球 FPGA 芯片市場競爭高度集中，頭部廠商占領(lǐng)話語權(quán)，新入局企業(yè)通過產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動能，智能化市場需求或?qū)?FPGA 技術(shù)推向主流。

產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動能，除傳統(tǒng)可編程邏輯裝置（純數(shù)字邏輯性質(zhì)），新型可編程邏輯裝置（混訊性質(zhì)、模擬性質(zhì)）創(chuàng)新速度加快，AI 領(lǐng)域多通道計(jì)算任務(wù)需求推動 FPGA 技術(shù)向主流演進(jìn)。