中端FPGA成新利基 低成本低功耗成决战砝码

传感器端也能实现AI推理r——莱迪思的低功耗、低成本FPGA方案出炉

王莹

【期刊名称】《电子产品世界》

【年(卷),期】2018(25)6

【摘 要】网络边缘计算革命蓄势待发,不过,只有具备AI系统专长的开发人员方可驾轻就熟。随着用户寻求更高级别的智能,对于靠近IoT（物联网）数据源的低功耗推理的需求将与日俱增。这些传感器端,尤其是超低功耗的传感器端如何实现人工智能？近日,莱迪思半导体公司推出了超低功耗Lattice Sens AI。

【总页数】2页(P86-87)

【作 者】王莹

【作者单位】

【正文语种】中 文

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行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 FPGA提供了什么价值？ ——“FPGA五问五答”系列报告一 2023年4月17日 看好/维持 电子 行业报告 分析师 李美贤 电话：137****9817邮箱*****************.cn执业证书编号：S1480521080004 投资摘要： FPGA（可编程逻辑门阵列）又称“万能芯片”，美国禁运后，作为最“卡脖子”的芯片之一而家喻户晓。虽然全球市场规模只有80亿美元，FPGA这个不大不小的市场却撑起了龙头赛灵思近500亿美元的市值（英特尔平均市值在2000亿美元上下，所在市场规模是FPGA的10倍）。目前，全球90%的市场份额由美国FPGA厂商垄断，国产替代必要性不言而明。美国禁运后，国产FPGA厂商迎来发展的历史性机遇。FPGA究竟有什么价值？什么在驱动它的未来的成长？龙头为什么能有这么高的市场份额？护城河在哪里？本土厂商又要如何培育自己的竞争优势？针对这些问题，我们复盘了FPGA三大厂商：赛灵思、Altera和Lattice的发展历程，总结出了核心规律，并在FPGA五问五答系列报告中逐一为投资者解答。 作为我们FPGA五问五答第一篇，在这篇报告中，我们首先回答一个最关键的问题——FPGA提供了什么价值？ 为了回答这个问题，我们仔细研究了FPGA和其他处理器的架构演变和历史，回答如下：FPGA无可比拟的灵活性，以及确定性的低时延优势，是FPGA难以被替代的原因，也是FPGA为客户提供的独一无二的价值。 FPGA是什么？在半导体产业链中的位置？芯片分为模拟芯片和数字芯片，数字芯片负责处理数字信号，分为处理器、逻辑、存储三大类。FPGA是可编程的逻辑芯片，和其它逻辑芯片的不同之处在于，用户可以随时定义其硬件功能。虽然FPGA市场仅占逻辑芯片的5%，市场规模仅有微处理器的大约十分之一，但在许多领域是不可或缺的。 FPGA为什么在历史上脱颖而出？PLD诞生的动因来自于ASIC和ASSP的不足，通过可编程来满足降低芯片设计风险的需求。 FPGA并不是第一个被创造出来的可编程逻辑器件，但由于FPGA的架构弥补了PLD和ASIC/ASSP的缺环，能够满足下游不断增长的容量和速度的需求，在发明后的10年开始飞速替代SPLD和CPLD，成为独占鳌头的可编程逻辑器件。 FPGA如何做到“万能”？数字电路有两大类：组合电路和时序电路，时序电路即“组合电路+存储”。所有组合电路都有对应的真值表，FPGA的可编程逻辑块中的LUT，本质上是一个对应真值表输出的查找表，可以完成任意组合电路的功能。通过改变LUT4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器等存储单元，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。 FPGA独一无二的价值在哪里？1） 灵活性高，适合高速迭代的场景（能“经常改”）：FPGA可以实现任何电路功能，其耗时甚至不超过一秒，修改不限次数，这一特性尤其适合以下4种场景：标准/协议/算法经常更改的行业，快速迭代、成本敏感的行业，小批量的行业，以及反复修改验证的设计；2）并行性好，适合要求低时延和大量并行计算的场景（“算得快”）：FPGA内部数十万个CLB可以同时独立工作，实现大规模的并行计算耗时极短，由于不存在线程或者资源冲突的问题，FPGA的时延是确定的低时延，特别适合低时延的场景。 什么是“好”的FPGA？ 一般来说，FPGA的制程越先进、逻辑单元数越多、固化功能越复杂，能构造的电路就越大型、越复杂，FPGA越“好”。尽管如此，一块“好”的FPGA并不一定是能力上的最优，而是最贴近使用者的需求，因此，龙头对市场做了非常高的细分。以龙头赛灵思为例，其拥有高端的Virtex，性价比的Kintex，低容量的Spartan，超低功耗的CoolRunner，再加上温度、速度等级等的的区别，仅7系产品就有高达1000+的料号，产品矩阵非常完备。 特别地，我们回答了市场对于宇航级FPGA的疑惑： 在卡门线以上（海拔高度100km）运行的电子系统需要使用宇航级FPGA，由于外太空的航天器接受的辐射量是地面的百倍甚至千倍以上，严重的可致器件损坏，导致在轨任务的失败，航天器需要具备电路级的抗辐射能力。FPGA的抗辐射能力和航行高度挂钩：在LEO高度，使用耐辐射（Radiation Tolerent）FPGA即可；进入MEO或者GEO高度，需要使用辐射加固（Radiation Hardened）FPGA。宇航级FPGA主要考虑对总剂量效应和单粒子事件的防护能力，具体指标有TID耐性、SEL阈值、SEFI发生率和SEU发生率。宇航级FPGA需要额外使用许多技术，制造的成本高，做到辐射加固级更是需要从设计到制造封测的一系列流程改变，因此价格通常非常昂贵，目前，全球有能力提供宇航级FPGA公司屈指可数。过去，星载FPGA处理能力落后于商业级10-15年，现在已经和商业级接近，背后是不断增长的提升卫星处理能力的需求。 为什么FPGA这么难？我们认为，一是产品定义上，FPGA设计者必须平衡市场上各个需求，难度在于如何平衡可编程功能和固化功能，需要对客户需求有非常好的了解。我们回顾了Altera历史上在Excalibur的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。二是从技术上，体现在FPGA必须跟上最新的制程。制程领先是FPGA市场份额最直接的决定因素。从Altera在40nm对赛灵思的赶超，可以看出制程领先对FPGA的重要性。FPGA设计不是简单地堆叠逻辑单元，如何排布逻辑单元和各固化单元，来平衡性能提升和面积、时延、功耗之间的矛盾，是非常重要的问题，需要设计者考虑架构的先进性和针对性。三是FPGA硬件和设计工具绑定的特点，使得EDA和硬件必须做到并重开发。FPGA软件最核心的地方在于布局布线，虽然仿真等工作已经可以由第三方EDA完成，但由于架构不公开，并不存在通用的FPGA布局布线工具，历史上赛灵思和Altera都曾与第三方的EDA公司合作优化仿真以及综合的流程，但布局布线从来只在自家的EDA上进行。因此，FPGA的容量每上一个台阶，就必须更新配套的“映射-包装-布局布线”三大算法。这种硬件和软件高绑定的特点，使得FPGA新进厂商在攻克了硬件的诸多技术难点外，还要完成配套软件和复杂的工具包开发，这是FPGA的设计难于其它类型芯片的原因，亦是FPGA的进入壁垒如此之高的原因之一。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期。 东兴证券深度报告 FPGA提供了什么价值？——“FPGA五问五答”系列报告一 P3

一　

王丽英　Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｒｙ＠ｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ　Ｆ　Ｐ　ＧＡ市场　

随着全球经济的逐渐复苏，半导　

体行业又迎来了新一轮的快速增长。　

ＦＰＧ　Ａ市场尤为明显，这个即便在２００８　

年行业一片衰退的大环境下仍然保持增　

长的领域，更是率先进入快速增长期。　

市场的强大需求促使Ｆ　Ｐ　Ｇ　Ａ厂商加大投　

入，为数不多的几家厂商摩拳擦掌，　

纷纷推出自己的杀手产品，一时间，　

ＦＰＧＡ市场，竞争纷起。　

作为ＦＰＧＡ的发明者，赛灵思公司　

一直走在技术的前沿。在今年２月宣布　

将采用２８纳米高性能低功耗工艺后，　

６月份，赛灵思推出基于统一可扩展架　

构的７系列ＦＰＧＡ。采用针对低功耗高　

性能精心优化的２８ｎｍ２Ｋ艺技术，７系列　

ＦＰＧＡ功耗锐减５０％，容量高达２００万　

个逻辑单元。２８ｎｍ系列产品进一步扩　

展了赛灵思随４０ｎｍ　Ｖｉｒｔｅｘ－６￣Ｎ４５ｎｍ　

Ｓｐａｒｔａｎ－６　ＦＰＧＡ系列同步推出的目标　

设计平台战略。该目标设计平台战略将　

ＦＰＧＡ、ＩＳＥ设计套件软件工具和ＩＰ、　

开发套件以及目标参考设计整合在一　

起，使客户能够充分利用现有的设计投　

资，降低整体成本，满足不断发展的市　

场需求。前不久，赛灵思又宣布推出业　界首项堆叠硅片互联技术，即通过在单　

个封装中集成多个ＦＰＧＡ芯片，实现突　破性的容量、带宽和功耗优势，以满足　

那些需要高密度晶体管和逻辑，以及需　

要极大的处理能力和带宽性能的市场应　

用。据赛灵思称，通过采用３Ｄ封装技　术和硅通孔（ＴＳＶ）技术，其２８ｎｍ　７系　

￣Ｉ］ＦＰＧＡ目标设计平台所能满足的资源　

需求，是最大单芯片ＦＰＧＡ所能达到的　

两倍。　同赛灵思一样，占ＦＰＧＡ市场半壁　

江山的Ａｌｔｅｒａ公司也早在今年２月份发　

布了其２８ｎｍ　ＦＰＧＡ中将采用的创新技　

术：嵌入式ＨａｒｄＣｏｐｙ模块、部分重新　

配置新方法以及嵌入式２８Ｇｂ／ｓ收发器。　

４ｆｌ份，Ａｌｔｅｒａｇ￣发布了其基于２８ｎｍ２１２　

ＮＦ　ＴＥｃＨＮ。Ｌ。ＧＹ　Ｉ新技术聚焦　

新技术助力２８纳米Ｆ　Ｐ　ＧＡ加速蚕食　

ＡＳＳＰ／ＡＳＩＣ市场　

除了继续提升性能和降低成本外，２８ｎｍ　ＦＰＧＡ在大幅降低功耗和统一技术架构方面下足了功夫，帮　

助ＦＰＧＡ进一步扩展应用领域。　

■孔文　

２０１０年，Ｘｉｌｉｎｘ和Ａｌｔｅｒａ相继宣布推出２８ｎｍ工艺　

ＦＰＧＡ，使得可编程逻辑器件向前迈进了很大　

一步。　“在２８ｎｍ工艺下，ＦＰＧＡ通过扩大应用　

领域，将有望在２０１４年把市场从７０亿美元扩大　

到１　１　０亿美元，进一步蚕食总量为６００亿美元的　ＡＳＳＰ／ＡＳＩＣ市场。”Ｘｉｌｉｎｘ亚太区执行总裁汤立　

人表示。而低功耗、低成本和高性能三因素则　

是ＦＰＧＡ制胜的关键。　

２８ｎｍ　ＦＰＧＡ关键词：低功耗和统一架构　Ｘｉｌｉｎｘ近日宣布推出的７系列ＦＰＧＡ产品，其功　

耗、性能相比前一代产品有很大的优化，除了　

采用２８ｎｍ￣艺外，该系列器件还融人了新的低　功耗芯片设计技术，而统一的架构和可扩展的　

平台也进一步简化了系统设计工作。　

Ｘｉｌｉｎｘ新推出的７系列ＦＰＧＡ由Ａｒｔｉｘ一７、　

Ｋｉｎｔｅｘ．７、Ｖｉｒｔｅｘ．７三个系列共同组成。其中　

ｘｉｌｉｎｘ亚太区执行总裁汤立人（左）与ｘ…ｎｘ亚太区市场及应用总监张字清（右）　Ａｒｔｉｘ一７以低功耗、低成本为主打，与前一代的　Ｓｐａｒｔａｎ一６相比，其逻辑密度从２０Ｋ￣ＩＪ３５５Ｋ不等，　

速度提升了３０％，功耗和尺寸各降低了５０％，且　

价格也降了３５％，Ａｒｔｉｘ．７适合于便携式超声波　医疗设备、军用通信系统、高端专业／消费类相　

机的ＤＳＬＲ镜头模块以及航空视频分配系统等。　Ｋｉｎｔｅｘ．７则是Ｘｉｌｉｎｘ根据客户的反馈，推出的一　

款具有高端功能、低价格的平衡产品，其性能　

与Ｖｉｒｔｅｘ　６相当，价格却不足其一半，Ｋｉｎｔｅｘ一７　

针对低成本信号处理设计，逻辑密度从３万￣ｌＪ４０　万个逻辑单元不等，并具有丰富的ＤＳＰ切片、内