FPGA的中場(chǎng)戰(zhàn)事

　　10月3日，英特爾宣布由桑德拉·里維拉(Sandra Rivera)擔(dān)任“分拆”后獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的可編程事業(yè)部首席執(zhí)行官。

　　從數(shù)據(jù)中心和人工智能(DCAI)部門總經(jīng)理，轉(zhuǎn)身為執(zhí)掌該業(yè)務(wù)的CEO，對(duì)她取得像AMD掌門人蘇姿豐博士類似的成功，無(wú)疑抱以厚望。

　　8年前，英特爾花費(fèi)167億美元真金白銀、以純現(xiàn)金方式收購(gòu)阿爾特拉(Altera)，整合為旗下Intel(PSG)部門。大樹底下好乘涼，順勢(shì)把行業(yè)并購(gòu)量級(jí)推向新高度。

　　新型數(shù)據(jù)中心進(jìn)入異構(gòu)計(jì)算時(shí)代，占得先機(jī)。

　　同樣以數(shù)據(jù)中心優(yōu)先，并在2017年后宣稱“不再是FPGA公司”的賽靈思，2022年也被另一個(gè)CPU巨頭納入麾下。

　　AMD以股權(quán)互換、零現(xiàn)金代價(jià)實(shí)現(xiàn)“零元購(gòu)”。

　　將股權(quán)價(jià)值*化。把華為任總所說的上市公司擁有“花不完”的錢，再一次*成功演繹。

　　在阿爾特拉被英特爾并購(gòu)?fù)耸械倪@幾年，正是FPGA市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)期。

　　雖仍穩(wěn)居第二，但市場(chǎng)份額已從當(dāng)年的39%，下滑至32%。與賽靈思從只落后一個(gè)身位的10%，進(jìn)一步擴(kuò)大至22%。

　　對(duì)手從*到遙遙*，后有追兵戰(zhàn)鼓擂鳴。

　　“重出江湖”的阿爾特拉，除了重啟IPO上市進(jìn)程之外，更希望重新贏回FPGA在工業(yè)、汽車、國(guó)防和航空航天等高速增長(zhǎng)市場(chǎng)的應(yīng)有份額：

　　一架F35戰(zhàn)斗機(jī)，使用超過3500塊芯片，其中就包括208片F(xiàn)PGA

　　防務(wù)領(lǐng)域一套先進(jìn)的相陣控雷達(dá)系統(tǒng)，使用的FPGA數(shù)超過1000片

　　2017年微軟數(shù)據(jù)中心用25萬(wàn)塊FPGA，構(gòu)建當(dāng)時(shí)*的AI(BrainWave)

　　2020年時(shí)，賽靈思FPGA在汽車行業(yè)的累計(jì)出貨量，高達(dá)19000萬(wàn)片

　　半導(dǎo)體行業(yè)，具有通用芯片和專用芯片的鐘擺效應(yīng)，使得半定制化的FPGA，正迎來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)形成共振的黃金發(fā)展時(shí)期。

　　國(guó)內(nèi)上市公司就有四家(成都華微已過會(huì))，近年斬獲大額融資加持的眾多明星初創(chuàng)，更是眼中有亮光。

　　隨著賽靈思正式成為AMD的一部分，本以為標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代的結(jié)束，不曾想阿爾特拉又殺了個(gè)回馬槍，重新扛起獨(dú)立FPGA廠商的大旗，終于“等”到了行業(yè)老大的王位。

　　也迎來(lái)競(jìng)爭(zhēng)更為激烈的下半場(chǎng)。

　　重新爭(zhēng)奪“上帝的禮物”

　　如果說什么行業(yè)應(yīng)用是FPGA最擅長(zhǎng)的，EDA硬件輔助驗(yàn)證應(yīng)有一席之地，其最早得以在江湖安身立命的原型驗(yàn)證本能，更是獨(dú)步天下。

　　也是兩大頭部廠商上演爭(zhēng)霸賽的重頭戲。

　　在業(yè)界著名的HotChips 2007會(huì)議上，賽靈思回顧FPGA二十年發(fā)展史時(shí)，將其稱為“上帝的禮物”。

　　以原型驗(yàn)證、硬件仿真兩大行業(yè)產(chǎn)品線為標(biāo)簽的EDA硬件輔助驗(yàn)證，一直走在異構(gòu)計(jì)算、硬件加速的最前沿，代表了FPGA*進(jìn)的調(diào)試驗(yàn)證能力，也引領(lǐng)其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　在EDA行業(yè)，其市場(chǎng)規(guī)模近年兩位數(shù)高增長(zhǎng)，并在2018年首次超過軟件仿真市場(chǎng)。

　　也是國(guó)內(nèi)取得重大突破的EDA細(xì)分賽道，國(guó)內(nèi)數(shù)家公司與傳統(tǒng)三巨頭呈“華山論劍”之勢(shì)。

　　某種程度上，提供硬件輔助驗(yàn)證服務(wù)，與FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的諸多軟件功能，源于賽靈思，又高于賽靈思。技術(shù)同源，彼此融合借鑒，又各有所長(zhǎng)。

　　硬件輔助驗(yàn)證已連續(xù)多年保持高增長(zhǎng)(2017年-)

　　Source：Xilinx Analyst Day 2017

　　2006年，賽靈思面向該市場(chǎng)推出的主力芯片Virtex5 LX330，單個(gè)FPGA芯片規(guī)模為330K邏輯單元(Logic Cells)。

　　國(guó)產(chǎn)FPGA目前已具備或超過該容量規(guī)模。

　　除了硬件指標(biāo)外，在配套軟件的技術(shù)能力和易用性等方面，已經(jīng)優(yōu)于賽靈思當(dāng)時(shí)的ISE工具套件。

　　比如科創(chuàng)板的安路科技，其TangDynasty提供的芯片數(shù)據(jù)讀寫功能，目前賽靈思的Vivado還未直接支持，更多是在SDK中用于SoC設(shè)計(jì)時(shí)使用。

　　受國(guó)外關(guān)注榜上有名的國(guó)產(chǎn)FPGA廠商

　　FPGAs: Made in China(Y2021)

　　目前市場(chǎng)上知名的EDA公司，不管是傳統(tǒng)三巨頭，還是國(guó)內(nèi)三新貴的思爾芯、合見工軟和芯華章，都提供以賽靈思FPGA為基礎(chǔ)的原型驗(yàn)證服務(wù)。

　　其中又以每一代規(guī)模*Virtex FPGA為主。

　　2019年，賽靈思推出350億個(gè)晶體管，采用第三代堆疊架構(gòu)的Virtex UltraScale+ 19P;三月之后，阿爾特拉推出433億個(gè)晶體管Stratix 10M，針尖對(duì)麥芒，強(qiáng)勢(shì)宣告進(jìn)入該市場(chǎng)。

　　兩大頭部FPGA廠商的旗艦芯片(2019年)

　　前者已成為各大EDA公司最新旗艦產(chǎn)品的不二*，如新思科技的硬件仿真Zebu，新一代原型驗(yàn)證HAPS100;

　　后者同樣搶得一席之地，如思爾芯的硬件仿真OmniArk、原型驗(yàn)證Prodigy。

　　EDA公司用*FPGA芯片構(gòu)建的硬件仿真平臺(tái)

　　2022年9月，新思科技正式向市場(chǎng)推出其*Zebu EP1仿真系統(tǒng)，在硬件仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，新增原型驗(yàn)證功能，將兩大功能合二為一。

　　2022年12月，新思科技的原副總裁初創(chuàng)成立芯華章，創(chuàng)辦近三年后，也正式推出其旗下的HuaPro P2E新品，在原型驗(yàn)證服務(wù)基礎(chǔ)上，新增部分硬件仿真功能。

　　2023年的HotChips，AMD率先發(fā)布其最新的VP1902，容量規(guī)模是上一代旗艦芯片VU19P兩倍，在與Intel追逐“*高端”的軍備競(jìng)賽中，再次占得先機(jī)。

　　在完成整合后的公司官網(wǎng)，也首次將硬件輔助回歸本源，同時(shí)展現(xiàn)。

　　隨著芯片驗(yàn)證規(guī)模的急劇增加，單塊FPGA可能會(huì)容量不夠。

　　EDA公司專門研發(fā)將IC設(shè)計(jì)分割到多塊FPGA拼接的硬件平臺(tái)完成，由此衍生出圖劃分技術(shù)，以及為提升效率提供的全可視化調(diào)試能力等。

　　以新思科技的原型驗(yàn)證HAPS(High Performance ASIC Prototyping System)為例，用只有330K LCs的FPGA，就可支持500萬(wàn)門ASIC芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，正是受益這些EDA公司專用技術(shù)創(chuàng)新。

　　水漲船高，當(dāng)FPGA單芯片規(guī)模增加27倍，從330K到8.9M，支持ASIC芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證門數(shù)，同樣隨之增大至300億門，擴(kuò)容6000倍。

　　Source：hotchips 2023

　　賽靈思早期的Virtex II芯片，只有104K LCs，新思科技的*代仿真工具Zebu(2004)，將64塊FPGA組裝在一起，才能支持最多4800萬(wàn)門ASIC設(shè)計(jì)。

　　到了最新一代主力芯片VP1902，單芯片就擁有18.9M個(gè)LCs，無(wú)需設(shè)計(jì)分割等專用技術(shù)，支持ASIC設(shè)計(jì)驗(yàn)證門數(shù)是前者的三倍有余。

　　容量遠(yuǎn)大于當(dāng)年192塊FPGA拼接的硬件資源。

　　Prototype size in terms of number of FPGAs

　　Source：Projects Using FPGA Prototyping, Simense, 2020

　　FPGA自身的技術(shù)進(jìn)步，以及大量第三方IP核的集成使用，對(duì)于其它行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)，變得像EDA巨頭西門子所說的，正被迫經(jīng)歷20年前，ASIC芯片設(shè)計(jì)所遇到的調(diào)試驗(yàn)證挑戰(zhàn)。

　　在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，不管是設(shè)計(jì)(Dev)還是運(yùn)維(Ops)，如果某個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部是“不可見”，那么就距離崩潰不遠(yuǎn)了。

　　在FPGA行業(yè)，全可視化調(diào)試能力(Full Visibility&Debugging)，長(zhǎng)期只是EDA硬件輔助驗(yàn)證，才特別配備的專有先進(jìn)功能。

　　雖然賽靈思公司創(chuàng)立之初，主要面向仿真和教育市場(chǎng)，但如今包括其它各個(gè)廠商在內(nèi)的FPGA，已被廣泛用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品和系統(tǒng)。

　　現(xiàn)在更是深入應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)角落。

　　FPGA無(wú)需流片就可設(shè)計(jì)定制使用，也被稱為平民版的ASIC。

　　換而言之，除了那些專用于超大規(guī)模IC設(shè)計(jì)的特殊功能外，其它用于提升調(diào)試驗(yàn)效率的軟件功能，同樣可服務(wù)于日常的FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)。

　　比如行業(yè)排名第四的MicroSemi公司，2016年推出SmartDebug，當(dāng)時(shí)就定位為下一代智能調(diào)試工具，用于旗下中小規(guī)模FPGA/SoC的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。

　　2021年Intel(PSG)推出數(shù)字仿真器感知的SignalTAP等等。

　　從應(yīng)用需求出發(fā)，快速拓展現(xiàn)有EDA硬件輔助驗(yàn)證的服務(wù)邊界，把高端專用技術(shù)普及化，可惠及快速增長(zhǎng)的全球FPGA應(yīng)用市場(chǎng)。將擁有技術(shù)和市場(chǎng)的雙重祝福。

　　硬件加速一切的異構(gòu)計(jì)算時(shí)代

　　英特爾將獨(dú)立后的FPGA業(yè)務(wù)，定位為服務(wù)更廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，而不僅僅是數(shù)據(jù)中心。

　　如果說在EDA硬件輔助驗(yàn)證市場(chǎng)的仿真加速，是兩大豪門的必爭(zhēng)之地，那么以數(shù)據(jù)中心為主戰(zhàn)場(chǎng)的算力加速，則是三國(guó)演義。

　　還要再加上2004年創(chuàng)立的Achronix公司。

　　其擬合并上市的公開數(shù)據(jù)，2020年?duì)I收將達(dá)1億美元，預(yù)計(jì)到2023年增長(zhǎng)至2.35億美元。

　　阿爾特拉退市之前，其FPGA在微軟數(shù)據(jù)中心已經(jīng)大有斬獲。

　　作為英特爾的并購(gòu)邏輯之一，是在2020年將會(huì)有超過1/3的全球云計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用FPGA。后續(xù)想象空間無(wú)限。

　　通過集成CPU和FPGA的異構(gòu)計(jì)算方式，可獲得2倍以上的性能提升

　　采用標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器架構(gòu)，降低總成本(TCO)

　　使得用戶可快速部署自有的IP和算法，提升靈活性

　　Source: Acquisition of Altera, Intel, 2015

　　此后FPGA在數(shù)據(jù)中心的加速應(yīng)用確實(shí)不乏亮點(diǎn)，包括2018年微軟用25萬(wàn)塊芯片構(gòu)建當(dāng)時(shí)全球*的AI計(jì)算機(jī)腦波(BrainWave)。

　　FPGA在超級(jí)數(shù)據(jù)中心的加速應(yīng)用，微軟具有標(biāo)桿意義，谷歌、騰訊等云服務(wù)廠商的超級(jí)數(shù)據(jù)中心也在不斷跟進(jìn)。

　　現(xiàn)在一家數(shù)據(jù)中心使用的FPGA數(shù)量，高達(dá)數(shù)百萬(wàn)。

　　盡管不乏藍(lán)色巨人IBM公司在推波助瀾，在2020年的硬件加速在數(shù)據(jù)中心的未來(lái)展望研討會(huì)上，推動(dòng)FPGA成為數(shù)據(jù)中心“一等公民”。

　　2021年，微軟采購(gòu)賽靈思的Alveo系列FPGA加速卡，為全球54個(gè)區(qū)域的用戶提供“云上”加速服務(wù)，并宣告“AI平民化”時(shí)代到來(lái)。

　　從2011年迎接“AI黎明”，微軟內(nèi)部啟動(dòng)Capapult項(xiàng)目，加速bing搜索，到對(duì)外提供硬件加速服務(wù)，走入AI平民化，剛好十年。

　　數(shù)據(jù)中心真正進(jìn)入到AI加速時(shí)代后，F(xiàn)PGA多少顯得“相對(duì)勢(shì)微”。

　　雖然兩大FPGA廠商數(shù)據(jù)中心戰(zhàn)略未能全盡如人意，但被AMD收購(gòu)時(shí)，賽靈思的營(yíng)收占比，已爬升到11%，并深入到中國(guó)移動(dòng)等行業(yè)云。

　　已成為增長(zhǎng)最快的業(yè)務(wù)板塊之一。

　　三家FPGA廠商提供的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)加速卡

　　2022年底，以ChatGPT為代表生成式AI大模型的橫空出世，相對(duì)于綠廠GPU的一騎絕塵，不只是FPGA，就連CPU都顯得星光黯淡。

　　以數(shù)據(jù)中心優(yōu)先的賽靈思，5年前對(duì)AI加速應(yīng)用寄予厚望。

　　按照巴克萊的定制行研報(bào)告，數(shù)據(jù)中心AI推理，將比AI訓(xùn)練市場(chǎng)體量更大，增速也更快。

　　Pervasiveness of AI and Inference

　　Source：Barclays Research, Company Report, May 2018

　　理想豐滿，現(xiàn)實(shí)略骨感。

　　按照IDC研究數(shù)據(jù)顯示，2021年上半年中國(guó)人工智能芯片中，GPU占有近92%的市場(chǎng)份額。

　　FPGA的比例是0.3%。

　　中國(guó)人工智能服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模

　　（按加速卡類型）

　　來(lái)源: 2021-2022中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告，IDC，2021

　　按照這個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心AI加速應(yīng)用，對(duì)FPGA廠商的營(yíng)收影響，目前還處于“智者見于未萌”階段。

　　以阿爾特拉為例，2014年?duì)I收19億美元。

　　2022年英特爾業(yè)績(jī)下滑，F(xiàn)PGA業(yè)務(wù)表現(xiàn)亮眼，雖增長(zhǎng)近30%，還是19億美元。

　　數(shù)據(jù)中心的高端大算力，好看難吃，但就整個(gè)FPGA應(yīng)用市場(chǎng)而言，可謂西邊不亮東邊亮。

　　當(dāng)MicroSemi被MicroChip收購(gòu)，阿爾特拉成為Intel(PSG)，再加上賽靈思也并購(gòu)?fù)耸�，作為�?dú)立FPGA廠商，只當(dāng)過幾個(gè)月行業(yè)老大的萊迪思(Lattice)。

　　則是另一番景象。

　　2010年*探低到1.04美元/股，如今增長(zhǎng)近百倍;以市值論，已經(jīng)超過阿爾特拉被收購(gòu)前104億美元的股價(jià)表現(xiàn)。

　　FPGA自被發(fā)明以來(lái)已經(jīng)走過三個(gè)硬件加速時(shí)代，從最早的仿真加速，到十年前的算力加速，如今隨大勢(shì)一起，主動(dòng)引領(lǐng)、或是被動(dòng)被裹挾到風(fēng)起云涌的AI加速時(shí)代。

　　1988初創(chuàng)成立，早在1999年IPO的快輯半導(dǎo)體(NASDAQ: QUIK)，雖然市值僅為1億美元量級(jí)，如今也把公司亮點(diǎn)聚焦到“為端點(diǎn)AI提供端到端解決方案”。

　　太陽(yáng)從東方升起

　　FPGA應(yīng)用市場(chǎng)，既有對(duì)價(jià)格最不敏感的硬件輔助驗(yàn)證，不計(jì)成本保障可靠性安全性的航天航空和國(guó)防軍工領(lǐng)域，也包括眾多追求高性價(jià)比的細(xì)分行業(yè)。

　　呈現(xiàn)兩頭冒尖，中間體量龐大的橄欖形。

　　不管用于仿真加速，時(shí)下炙熱的AI加速，還是常規(guī)應(yīng)用，都是用戶對(duì)計(jì)算性能的*追求。FPGA以硬件速度運(yùn)行，比依賴CPU算力的軟件運(yùn)行速度，快得多。

　　在兼顧面積、功耗、成本的端側(cè)，成為眾多廠商的大舞臺(tái)。

　　以前曾有“得通信者得天下”之說。

　　定位為第三家高端廠商的Anchronix公司，技術(shù)顧問是FPGA業(yè)界泰斗，加拿大多倫多大學(xué)Jonathan Rose教授，其*次中國(guó)行，是2014年專程前往深圳。

　　在阿爾特拉早年19億美元的營(yíng)收組成中，通信市場(chǎng)44%;2020年時(shí)，賽靈思則是有多達(dá)45%收入，是來(lái)自防務(wù)、工業(yè)和TME。

　　兩大頭部廠商被收購(gòu)時(shí)的營(yíng)收組成

　　綠廠GPU在數(shù)據(jù)中心冠絕群雄，用堆算力橫掃天下的方式，在端側(cè)并不適用，而這正是FPGA的*機(jī)會(huì)。

　　這可能也是AMD完成對(duì)賽靈思收購(gòu)后，將其整合到“自適應(yīng)計(jì)算與嵌入式”的原因之一。

　　除了全球化進(jìn)入到以不信任為基調(diào)的下半場(chǎng)等外部因素影響，來(lái)自市場(chǎng)需求推動(dòng)，共同將FPGA的蛋糕做得越來(lái)越大。

　　全球市場(chǎng)規(guī)模從2014年50億美元，2023年達(dá)到80億美元，2027年預(yù)計(jì)115億美元。

　　既有EDA硬件輔助驗(yàn)證市場(chǎng)的*高端器件，也包括2021年瑞薩電子的ForgeFPGA。

　　作為FPGA家族新成員，其LCs數(shù)在5K以下，極低功耗、低價(jià)格的代表，定價(jià)低于0.5美元，軟件完全免費(fèi)。

　　FPGA行業(yè)沒有西北角大遷移。

　　曾經(jīng)冷門細(xì)分的FPGA，阿爾特拉被并購(gòu)時(shí)，2014年全球數(shù)字邏輯芯片的市場(chǎng)規(guī)模為1150億美元，在其中占比為4%，不為大眾所熟知。

　　當(dāng)時(shí)阿爾特拉的客戶數(shù)是12600家，2020年賽靈思的客戶數(shù)超過60000家。

　　賽靈思已把十年前的產(chǎn)品，供貨周期延長(zhǎng)到2035年，阿爾特拉的產(chǎn)品策略與之類似。

　　水深才能養(yǎng)大魚，近十年國(guó)內(nèi)廠商快速崛起。包括2011年初創(chuàng)的安路科技，從零成長(zhǎng)為營(yíng)收10億、市值近200億的領(lǐng)軍者。

　　2023年半年報(bào)數(shù)據(jù)，三家以FPGA為主業(yè)上市公司，F(xiàn)PGA銷售合計(jì)超過30億元。

　　而未上市的紫光同創(chuàng)，其官網(wǎng)主動(dòng)發(fā)布的2022年經(jīng)營(yíng)顯示，營(yíng)收15億，凈利3億。

　　也為眾多同行初創(chuàng)，提供更多的融資底氣。

　　FPGA公司初創(chuàng)成立的時(shí)間軸

　　來(lái)源: 根據(jù)市場(chǎng)公開資料匯總整理

　　按照現(xiàn)在盛行的說法，不只是幫助客戶取得成功，而且要加速客戶的成功。

　　各個(gè)廠商的芯片和編程軟件，作為向用戶提供服務(wù)的基石，迄今尚未出現(xiàn)類似英偉達(dá)CUDA的革命性突破。

　　大語(yǔ)言模型LLama在終端部署的時(shí)間線

　　來(lái)源: 根據(jù)公開信息整理

　　FPGA固有的應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng)、編程難度大等行業(yè)共有難題，從這個(gè)層面，所有廠商都面臨同樣的挑戰(zhàn)。

　　全球市場(chǎng)規(guī)模的年復(fù)合增長(zhǎng)率超過9%，國(guó)內(nèi)則高達(dá)近20%。按芯片出貨量口徑統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的年出貨量將達(dá)到3.3億顆以上。

　　既是*者打造霸業(yè)的舞臺(tái)，也是新銳建功立業(yè)的機(jī)遇。

　　歷經(jīng)40年，戰(zhàn)事正酣，才至中場(chǎng)。

　　參考資料

　　[1] 20 Years of FPGA Evolution, from Glue Logic to Major System Component,HotChips 2007, Xilinx.

　　[2] FPGA Technology Today: Chips and Tools, Synophsys,2009

　　[3] FPGA芯片的演變與創(chuàng)新,京微雅格,2013

　　[4] Intel Acquisition of Altera, 2014

　　[5] AMD to Acquire Xilinx, 2020