近日，全球最大的FPGA廠商賽靈思宣佈收購深鑑科技的消息，引發人工智能芯片行業熱議，這也是首起中國AI芯片公司被收購的案例。值得注意的是，收購深鑑科技的賽靈思在2018年下半年重點發展方面是汽車自動駕駛。
FPGA市場的競爭正在發生變化，其中最引人矚目的趨勢就是應用領域不斷拓寬。傳統上，FPGA的應用很大程度受到通信市場主導，但隨著人工智能、大數據、雲計算、智能汽車以及物聯網邊緣計算的發展，對FPGA的需求大增，FPGA的市場格局正在發生轉變。同時，這也為苦苦尋求突破口的中國FPGA廠商提供了一個難得的發展機會。在近日召開的“第六屆（2018）中國FPGA產業發展論壇”上，中國半導體行業協會常務副秘書長宮承和指出，當前FPGA領域存在著行業集中度高，後發者進入困難等問題。我國正在推進製造強國和網絡強國的建設，如何發展自主可控的FPGA產業，是留給半導體行業從業者必須面對和思考解決的問題。
從雲端到邊緣 AI推動FPGA應用拓展
近年來FPGA最引人關注的變化趨勢之一就是應用領域不斷拓展。通信、工控等是FPGA傳統的應用市場，然而近年來隨著雲計算、大數據、人工智能、物聯網等的發展，FPGA開始向新領域擴展。
微軟亞洲研究院異構計算組副研究員張宸指出：“這些年人工智能的崛起，依靠的是深度神經網絡算法大型多層的網絡模型，典型的有循環神經網絡和卷積神經網絡為代表。這樣的模型一次推斷（inference）通常需要數十億甚至上百億次的運算，而在線的服務系統的響應時間在毫秒量級。這就意味著每秒上萬億次（TFLOPS）甚至百萬億次的運算性能，同時對器件的體積、功耗還有一定的約束。這使得我們期待數據中心的高性能計算硬件應當具備如下優勢：低延遲，低開銷和規模化。在數據中心，FPGA 相比 GPU 的核心優勢在於低延遲，使用 FPGA 來加速的話，只需要微秒級的 PCIe 延遲（微軟現在的 FPGA 是作為一塊 PCIe 加速卡），對通信密集型任務，FPGA 相比 CPU、GPU 的優勢就更大了。”時至今日，微軟已經在數十萬臺雲服務器上部署了 FPGA 。微軟目前也是在數據中心的 FPGA 應用上投入最大的互聯網公司。
快速興起的網絡邊緣計算對於FPGA的應用需求也在增加。萊迪思半導體亞太區資深事業發展經理陳英仁表示：“受延遲、隱私和帶寬限制的驅動，FPGA正在被越來越多
佈署於物聯網系統設備當中，超低功耗靈活推理的需求亟待滿足。”Semico Research市場研究公司的數據顯示，使用人工智能的網絡邊緣設備數量將以110％的複合年增長率爆發式增長。高雲半導體市場副總裁黃俊將新興市場劃分為三個部分：首先在以消費電子為代表的智能終端設備中，接口越來越豐富，同時又需要保持小體積和低功耗，這就要求底層器件可以更靈活地支持接口轉換與膠合邏輯，使得低密度FPGA有了更多用武之地。其次，越來越多的AI運算開始在邊緣計算領域執行，比如音視頻的採集和預處理，它們需要支持簡單或中等複雜度的算法和IP，這又給了中低密度FPGA 以機會。最後，雲端需要支持高速SerDes，高速FPGA正在成為必需。
概括而言，人工智能、大數據、雲計算、ADAS、物聯網、機器人、可穿戴設備，5G通信設備、網絡交換、工業控制、金融設備、安防監控、視頻驅動、醫療儀器、汽車電子、家用電器、信息安全等都將是未來FPGA的重要應用市場。2017年全球FPGA規模市場約為50億美元。而日前高盛發佈的報告中，預測未來5年FPGA市場規模將達到100億美元，到2025年將增長到120億美元。
從技術到品牌 國產FPGA追趕空間巨大
FPGA一直是個高度壟斷的行業，賽靈思、英特爾（Altera）、微芯（Microsemi）和萊迪思幾家美國企業壟斷了全球絕大部分市場。儘管理論上新興市場的出現，給新進入者帶來更多發展機會，但是在實際操作過程中面臨的挑戰依舊很大。
“有些新興市場可望未必可及，特別是對於高密度、高性能的FPGA而言，不僅硬件設計難度大，中國企業在硬核IP資源上也存在滯後，軟核IP儲備欠缺，軟件性能與國外廠家差距也很大。”黃俊指出。
京微齊力CEO王海力也認為，從產品本身的水準來看，中國企業想要發展起來還有很長的路要走。“五年的時間算少，多的可能需要8到10年。”王海力說。
除了技術上的差距之外，品牌認知上的差距也非常明顯。“中興事件只是在大環境上給了國內公司一些觸動，使它們認識到供應鏈管控的重要性。可是落實到具體產品中的時候，國內供應商遇到的困難還是很多，客戶對於國內企業的品牌認可度不高，擔心是否可以持續供貨等，甚至對於產品設計工具的學習都有一個過程。方方面面加起來，發展國產FPGA，覺得壓力還是非常大的。”黃俊表示。
從差異化競爭到自主可控 FPGA 3.0時代需要長期努力
那麼如何才能實現國產FPGA的突破呢？黃俊認為，差異化是中國FPGA企業的必走之路。“國內廠商應該根據芯片本身的特點以及行業進入的難度出發，從小處著眼，從低密度FPGA產品開始突破，逐漸向中高密度FPGA發展。總之，我們不能簡單複製國外產品，而要仔細研究細分市場，新產品有什麼特殊的需要，然後對我們產品局部特性進行優化，以適應用戶需求。比如現在很多智能設備的視頻採集都會要求有高速接口，我們就在芯片上把高速MIPI做好，相比其他產品在同等密度下速度更快，同時我們也會做更多類似的參考設計，使應用更加便捷。這些都是差異化的例子。”黃俊說。
建立自主的產業生態也非常重要。王海力指出：“國外公司的專利技術中50%以上是保護核心架構的專利。中國企業在發展過程中也應重視，用戶易用、友好、支持面向應用軟IP庫以及成熟的EDA工具性能，是產品落地的重要一環。”
無論是差異化的市場策略，還是產業生態體系的建立，都是中國FPGA發展過程中的必修課。而只有逐步建立起自主可控+自主創新FPGA產品體系，首先體現在具備自主研發可編程邏輯器件核心架構的能力上，其次體現在具備自主研發FPGA器件配套軟件工具的能力上，中國FPGA才算真正立足。這是中國FPGA發展的關鍵。
根據王海力的觀點，中國FPGA產業大致可以劃分為四個階段：從上世紀90年代到2005年，可以算做中國FPGA的Pre-1.0時代。那時的中國FPGA產業剛剛起步，只能以反向設計為主，芯片設計/軟件開發人員只有百餘人，沒有自己的架構，工藝落後，沒有軟件工具和應用開發人才，只能逐步探索前進。經過從無到有的積累，2006年到2016年中國FPGA產業進入1.0時代。中國FPGA擁有幾百人的芯片設計/軟件開發隊伍，有了自己的架構雛形，使用一般的工藝，擁用基礎的軟件工具和基礎的應用軟IP，有能力進行正向設計，開始培養國產FPGA的應用人才。
而現在正處於中國FPGA發展2.0時代，大約會是2017年到2025年。這一個從有到好的發展時期。中國FPGA產業已經擁有上千名的芯片設計/軟件開發人員。經過努力將有可能形成完備的架構設計，擁有采用先進工藝的能力，好用的軟件工具，具備一部分行業軟IP及解決方案，形成完備的正向設計，開始逐漸建立FPGA應用生態圈，並形成上千人的國產FPGA開發的應用人才隊伍。
至於3.0時代（2026年2035年）將是中國FPGA從好到強的發展階段：形成數千人的芯片設計/軟件開發人員隊伍，採用創新架構設計和最先進製造工藝，具有領先的軟件工具，完備的行業軟IP及解決方案，形成相對完整的FPGA應用生態圈，國產FPGA開發的應用人才達到數萬人。
希望中國FPGA產業能夠早日實現騰飛。
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