摩爾定律說，集成電路上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。隨著晶體管尺寸接近物理極限，摩爾定律的原始含義已不再適用，但計(jì)算能力的提升并沒有停止。英偉達(dá)的SOC在過去幾年的發(fā)展中，AI算力大致為每兩年翻一番，這與摩爾定律的速度高度相似，而通用GPU的算力增長更是驚人，達(dá)到了八年1000倍。

「GPU算力八年1000倍增長」

過去我做FAE的時(shí)候，客戶經(jīng)常會問，“你們芯片多少萬門？”。而現(xiàn)在他們經(jīng)常會問，“你們芯片算力多少T？”，其實(shí)有的人連算力的概念和單位都沒搞清楚?？梢娂夹g(shù)日新月異，人們的話術(shù)也在努力跟上。

FPGA就是可編程邏輯門陣列，這個(gè)名字很形象。數(shù)字電路可以認(rèn)為是一個(gè)個(gè)邏輯門構(gòu)成的，而FPGA就是可編程邏輯門集合體，內(nèi)部的邏輯功能和互連都可以通過編程改變，主流的編程語言是硬件描述語言Verilog和VHDL。

對年輕人來說，F(xiàn)PGA是一種有點(diǎn)冷門但好像又少不了的技術(shù)。過去十年，全球FPGA市場呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。2014年市場規(guī)模約為45億美元，到2018年，這一數(shù)字增至63億美元。2023年，全球市場規(guī)模達(dá)到97億美元，盡管2024年這一數(shù)值陡降至大約75億美元，但是未來總體的趨勢依然是穩(wěn)步增長。

在AI浪潮下，我們?yōu)槭裁磳PGA有這樣的信心，這就需要了解FPGA的四大特點(diǎn)，以及這四大特點(diǎn)給它帶來什么樣的需求基本面。

需要說明一下的是，軍工市場的信號處理，圖像處理，高性能運(yùn)算等領(lǐng)域是FPGA的重要市場，但是國內(nèi)的軍工市場不是完全市場經(jīng)濟(jì)，不便展開討論。另外，像腦機(jī)接口、量子計(jì)算等領(lǐng)域雖然也有FPGA的使用，但是基本都處于早期科研階段，距離我們想要的Business還差得太遠(yuǎn)，也不會涉及。

我們不想只講一些大詞匯，比如數(shù)據(jù)中心、人工智能、5G通信、自動駕駛、邊緣計(jì)算之類，而是根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，分門別類闡述一下FPGA的主要應(yīng)用場景，都有跡可循，并非紙上談兵。但因客戶信息需要保密，因此文中盡量不出現(xiàn)具體客戶名字。

FPGA四大特點(diǎn)與生存機(jī)會

特點(diǎn)一：硬件可編程

硬件可編程是什么意思？這是相對軟件可編程而言的，CPU的硬件電路固定不變，對CPU進(jìn)行編程就是通過指令調(diào)用CPU硬件資源如ALU等去實(shí)現(xiàn)需要的計(jì)算。而FPGA不同，本身的硬件電路就是可編程的，它理論上可以做出任何數(shù)字電路，甚至可以通過FPGA的邏輯搭建一個(gè)CPU并對其進(jìn)行編程。硬件可編程是FPGA的基礎(chǔ)特性，也可以在線更改電路功能，實(shí)現(xiàn)動態(tài)功能重構(gòu)（DFX）。

「CPU與FPGA數(shù)據(jù)處理方式不同」

FPGA產(chǎn)生的背景，是硬件的靈活性和定制化需求。早期的FPGA被稱為膠水邏輯（glue logic），像膠水一樣把一些無法直接相連的芯片連接在一起，實(shí)現(xiàn)定制的功能。輸入輸出基本單元叫I/O塊，接口種類要豐富，數(shù)量多，靈活配置。內(nèi)部也要有足夠多的邏輯來實(shí)現(xiàn)自己需要的功能，里面的基本單元被稱為邏輯塊（Logic Block）。邏輯塊和邏輯塊及I/O塊之間需要有足夠多的可編程互連開關(guān)來實(shí)現(xiàn)各種連接的需要。

「FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)」

下面，我們看看可編程能帶來哪些機(jī)會。

通信與網(wǎng)絡(luò)

早期通信技術(shù)可謂一日千里，協(xié)議迭代迅速，對快速、高效、可定制、可升級的硬件需求，使得FPGA成為理想選擇，通信帶著FPGA一路狂奔。在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，通信都是FPGA最大的單一市場。

從電路交換到包交換，從以太網(wǎng)，OTN到無線LTE/5G NR通信協(xié)議，都成了FPGA的重度依賴者。國內(nèi)通信市場的頂峰時(shí)期，華為和中興的FPGA需求占了國內(nèi)總需求的90%以上?，F(xiàn)今由于各種原因交織，他們已經(jīng)大量棄用FPGA，使得其在通信市場風(fēng)光不再，令人唏噓。

無線網(wǎng)優(yōu)市場逐漸萎縮，5G市場也基本被做殘，僅部分5G RRU上面會有FPGA的存在，其他通信領(lǐng)域的FPGA的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)看不到了。

「5G系統(tǒng)」

芯片仿真，原型驗(yàn)證

很多客戶喜歡自己開ASIC芯片，ASIC的一次流片費(fèi)用很高，經(jīng)不起折騰，最好一次投片成功，否則損失巨大，因?yàn)橥镀院箅娐肪凸潭藷o法修改，有bug通常會非常麻煩。因此在投片之前，需要大量的仿真和驗(yàn)證。仿真用EDA工具就好了，驗(yàn)證就必須有原型，而FPGA就是最好的原型，可以不斷的修改，試錯成本為零。

FPGA和ASIC在前端設(shè)計(jì)功能驗(yàn)證階段是高度重疊的。芯片驗(yàn)證是個(gè)剛需，毫無疑問，在芯片驗(yàn)證市場FPGA越大越好，能塞下的功能越多越好。很多時(shí)候，一個(gè)大的ASIC需要分拆成多個(gè)FPGA或者分功能模塊來進(jìn)行驗(yàn)證。

「FPGA原型驗(yàn)證平臺」

FaaS (FPGA as a Service)，F(xiàn)PGA即服務(wù)

超大型FPGA比較貴，本地綜合布線時(shí)間很長，對用戶不友好。FaaS，F(xiàn)PGA即服務(wù)，是一種將FPGA硬件算力作為云服務(wù)提供給用戶的概念。

自從亞馬遜EC2 F1實(shí)例批量部署以后，F(xiàn)aaS蔚然成風(fēng)。F1實(shí)例使得用戶能夠在云中使用 FPGA進(jìn)行硬件加速，而無需自己購買和維護(hù)FPGA硬件。F1實(shí)例提供了強(qiáng)大的FPGA加速計(jì)算能力，尤其適合于需要大量并行計(jì)算的工作負(fù)載，如數(shù)據(jù)加密、機(jī)器學(xué)習(xí)推理、視頻處理、基因組分析等。平臺允許開發(fā)者通過HDL（如VHDL、Verilog）編寫自定義硬件加速器，也有限支持OpenCL和C/C++等高級語言編程。國內(nèi)公司騰訊阿里迅速跟進(jìn)，成為當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)應(yīng)用。

特點(diǎn)二：并行及實(shí)時(shí)

邏輯陣列數(shù)據(jù)可以經(jīng)由I/O塊從四面進(jìn)來，也可以從四面出去，天生是個(gè)并行處理器。輸入到輸出的延時(shí)取決于硬件邏輯單元和走線，沒有軟件參與，不會受到操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、上下文切換等因素的影響，延時(shí)低且相對固定。這對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)非常重要，尤其是在控制系統(tǒng)或時(shí)間敏感型任務(wù)中，確定性的響應(yīng)時(shí)間是必須保證的。并行與實(shí)時(shí)是FPGA的另一項(xiàng)特點(diǎn)，也給FPGA帶來了非常多的應(yīng)用機(jī)會，讓我們一一道來。

視頻圖像處理

對于定點(diǎn)整形數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA有天然的優(yōu)勢。視頻和圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，涉及大量的數(shù)據(jù)流和復(fù)雜的計(jì)算（如像素處理、濾波、轉(zhuǎn)碼等），而FPGA可以將這些計(jì)算任務(wù)分解成多個(gè)并行操作，同時(shí)處理多個(gè)像素或視頻幀，提高了數(shù)據(jù)吞吐量和實(shí)時(shí)處理能力，非常適合視頻圖像處理。

ISP（圖像信號處理）是非常重要的功能，常用FPGA實(shí)現(xiàn)，包括去噪，色彩增強(qiáng)，動態(tài)白平衡，寬動態(tài)，縮放等。且ISP在不同的領(lǐng)域的需求大相徑庭，比如安防攝像頭、醫(yī)療內(nèi)窺鏡、車用后視鏡（CMS）這些應(yīng)用對ISP的要求都不一樣，因此給了FPGA很大的發(fā)揮空間。

家用投影包括車用投影的畸變矯正（Warp）功能，也是一個(gè)引人注目的FPGA應(yīng)用場景。但是隨著投影主芯片廠家的改款，也可能面臨機(jī)會的丟失。

視頻處理五花八門，如視頻拼接，就是把多個(gè)視頻源做拼接，開窗，漫游，縮放，疊加，畫中畫等，投射到一個(gè)大屏中顯示，大屏可以是LCD、LED或投影。再比如摳圖，FPGA 可以加速視頻中的背景減除算法，并實(shí)時(shí)配上新的背景。在實(shí)時(shí)切換和推流領(lǐng)域，FPGA 可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)視頻源的實(shí)時(shí)合成與切換，廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控、專業(yè)音視頻、廣播等領(lǐng)域。在車載環(huán)視剛出現(xiàn)的那幾年，很多客戶把幾個(gè)攝像頭的數(shù)據(jù)先做畸變矯正，再進(jìn)行縫合，做成一幅完整的鳥瞰圖，也獲得了部分市場份額。

需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，在專業(yè)音視頻和廣播市場，Video-Over-IP是一個(gè)大趨勢，涉及的主要協(xié)議有NDI，Dante AV, IPMX等。NDI更適合便捷的視頻制作，Dante AV注重音視頻同步，而IPMX主要基于SMPTE2110 標(biāo)準(zhǔn)，更傾向于無壓縮或輕壓縮的音視頻傳輸，適合高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化傳輸?shù)膹V播和專業(yè)場景。Video-Over-IP的潮流中蘊(yùn)含著FPGA/SOC的大量機(jī)會。

LED大屏驅(qū)動，LED動態(tài)背光，LCD屏TCON

LED大屏的驅(qū)動起源于2000年代初期，由于沒有標(biāo)準(zhǔn)，只能用FPGA根據(jù)自己的需要定義管腳和掃描格式，逐漸形成了一個(gè)專業(yè)市場。在發(fā)送卡和接收卡上都需要FPGA，現(xiàn)在單獨(dú)的發(fā)送卡越來越少，取而代之的視頻主控I/O板上面也都會用FPGA實(shí)現(xiàn)。

在接收卡上FPGA的并行處理能力使其能夠高效地管理每個(gè)LED燈珠的驅(qū)動信號，確保顯示效果的準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性，并根據(jù)需要調(diào)整掃描模式、亮度調(diào)節(jié)、顏色校正等。最近幾年，隨著LED燈珠點(diǎn)間距越來越小，LED屏分辨率越來越高，F(xiàn)PGA功能也在不停的迭代。發(fā)送與接收之間的傳輸媒介從GE PHY也逐漸進(jìn)化到2.5G/5GE PHY，有的也用光纖傳，有的用壓縮后的視頻傳輸以減小帶寬。

除此之外，LED多區(qū)動態(tài)背光控制，早期高清電視屏TCON(時(shí)序控制)，各種返修屏TCON，各種非標(biāo)屏適配，專業(yè)監(jiān)視器如醫(yī)療屏，都是用FPGA來驅(qū)動的。

信號加解密，實(shí)時(shí)包解析

FPGA天生適合實(shí)時(shí)加解密，它能夠在硬件層面直接實(shí)現(xiàn)AES/RSA等加密、解密、認(rèn)證和校驗(yàn)功能，減少CPU的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)IPSec協(xié)議棧的效率。FPGA可以在硬件中實(shí)現(xiàn)高效的深度包解析和高速轉(zhuǎn)發(fā)，無需CPU參與。另外，當(dāng)年的灰產(chǎn)，破解Nintendo游戲卡，也是有用小規(guī)模FPGA來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字信號處理DSP

用FPGA做DSP是2000年代初興起的一種熱點(diǎn)技術(shù)，F(xiàn)PGA具備高度的并行處理能力，內(nèi)部有固化的乘加運(yùn)算電路（DSP Block），能夠靈活實(shí)現(xiàn)多種信號處理算法，因此在許多高性能應(yīng)用場景中，開始扮演重要角色，主要算法有FFT, FIR/IIR，卷積，調(diào)制解調(diào)，波束成形等等。FPGA著實(shí)搶了很多TI和ADI的DSP處理器的市場，讓DSP處理器逐漸退守嵌入式系統(tǒng)（如音頻處理）和一些固定算法（如簡單濾波器、語音處理）場景中。至今，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)DSP仍然方興未艾，有著較強(qiáng)的生命力。FPGA內(nèi)部集成AIE又進(jìn)一步增強(qiáng)了其DSP運(yùn)算能力。

數(shù)據(jù)預(yù)處理，傳感器融合

數(shù)據(jù)預(yù)處理是個(gè)比較寬泛的概念，很多場合都需要。在醫(yī)療超聲設(shè)備中，通常數(shù)據(jù)預(yù)處理包括采樣率轉(zhuǎn)換，去噪，增益控制，再進(jìn)行波束成形（Beam-forming）。

而在車載激光雷達(dá)中，經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)通常被送到傳感器融合部分做進(jìn)一步處理。傳感器融合通常需要對來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的并行計(jì)算和處理。FPGA可以同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)融合。例如，攝像頭和激光雷達(dá)、超聲波傳感器、慣性測量單元（IMU）等傳感器的數(shù)據(jù)，可以并行處理并在同一時(shí)刻輸出融合后的信息，減少延遲。

能夠確保數(shù)據(jù)融合過程中的實(shí)時(shí)性，處理速度和響應(yīng)時(shí)間是基于硬件的，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于基于軟件的處理方法。這種低延遲特性對于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場景（如自動駕駛、機(jī)器人控制等）至關(guān)重要。

機(jī)器視覺

FPGA在機(jī)器視覺中具有廣泛的應(yīng)用，尤其在實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)處理量大、并行計(jì)算能力要求強(qiáng)的場景中，F(xiàn)PGA能夠發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢。無論是在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)（圖像處理、特征提取、目標(biāo)檢測）還是深度學(xué)習(xí)推理方面，F(xiàn)PGA都能提供顯著的性能提升，并在工業(yè)自動化、安防監(jiān)控、輔助駕駛等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

AI推理加速

與CPU和GPU相比，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)針對特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的硬件加速，提供更高的吞吐量和更低的功耗。特別是在邊緣計(jì)算或嵌入式AI應(yīng)用中，F(xiàn)PGA是進(jìn)行深度學(xué)習(xí)推理的理想選擇。

早幾年比較典型的是在輔助駕駛ADAS中實(shí)現(xiàn)雙預(yù)警和AEB，有的客戶用FPGA實(shí)現(xiàn)二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BNN，能夠把ZYNQ7020的算力優(yōu)化到1.5T。其他有趣的應(yīng)用包括智能座艙內(nèi)的DMS，智能相機(jī)的目標(biāo)識別，瑕疵品識別，智能醫(yī)療內(nèi)窺鏡的超分顯示和AI去霧等算法。

斯巴魯汽車用賽靈思的7nm Versal AI Edge芯片實(shí)現(xiàn)雙目視覺自動駕駛方案，這個(gè)也是公開的新聞了。另外，在數(shù)據(jù)中心推理加速中，F(xiàn)PGA的加速卡也有一定的應(yīng)用。

「AI Edge在雙目視覺自動駕駛中的應(yīng)用」

盡管面臨算力SOC和英偉達(dá)Jetson產(chǎn)品的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但FPGA在一些定制性和硬件加速方面依然有其獨(dú)特優(yōu)勢。FPGA可以針對特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行高度優(yōu)化，提供更為精確的加速，這對于某些特定應(yīng)用，尤其是在功耗極為敏感的場合仍然是FPGA的強(qiáng)項(xiàng)。

智能網(wǎng)卡，高頻交易

在智能網(wǎng)卡（Smart NIC）中，F(xiàn)PGA能夠在硬件層面加速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的處理，減少CPU負(fù)擔(dān)，直接處理網(wǎng)絡(luò)流量中的常見任務(wù)（如TCP/IP協(xié)議棧、加密、解密、流量分析等）。通過將這些任務(wù)卸載到 FPGA，能顯著提高數(shù)據(jù)包處理速度和網(wǎng)絡(luò)性能。

金融高頻交易要求極低的延遲，F(xiàn)PGA可以直接對市場數(shù)據(jù)（如股票、期貨報(bào)價(jià)）進(jìn)行高速處理和過濾，相比傳統(tǒng)CPU，F(xiàn)PGA可以在幾微秒內(nèi)完成復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)，確保交易策略實(shí)時(shí)生效。

伺服驅(qū)動Servo Control

伺服驅(qū)動是FPGA切入工業(yè)控制的第一個(gè)陣地，在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可以通過固定時(shí)鐘周期完成電流、位置、速度環(huán)控制，確保閉環(huán)控制的超低延遲。FPGA具備同時(shí)處理多個(gè)編碼器、PWM 信號、反饋信號的能力，使其特別適合多軸伺服系統(tǒng)和驅(qū)控一體機(jī)。

工業(yè)以太網(wǎng)，1588 PTP/TSN，和GOOSE

FPGA的實(shí)時(shí)和低延時(shí)也在工業(yè)通信領(lǐng)域大放異彩，工業(yè)通信講究高帶寬，實(shí)時(shí)性，延時(shí)可預(yù)測，時(shí)間同步以及服務(wù)質(zhì)量(QOS)。

FPGA在IEEE1588PTP和TSN中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其低延遲、高精度的時(shí)鐘同步、并行計(jì)算、硬件加速和高吞吐量的能力上。FPGA能夠?qū)崟r(shí)過濾和優(yōu)先處理TSN和工業(yè)以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)阻塞。通過硬件實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議，F(xiàn)PGA能夠提供比傳統(tǒng)基于CPU的軟件實(shí)現(xiàn)更高效、實(shí)時(shí)的性能，特別適合工業(yè)自動化、汽車、高鐵、醫(yī)療、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。

GOOSE是用于電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)事件通信協(xié)議，利用以太網(wǎng)鏈路層傳輸，強(qiáng)調(diào)毫秒級甚至微秒級的延遲來響應(yīng)斷路器跳閘、保護(hù)動作等關(guān)鍵事件。FPGA的固定時(shí)鐘周期和并行處理能保證信號處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性延遲，滿足GOOSE對高實(shí)時(shí)性的要求。FPGASOC中的ARM處理器則負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)保護(hù)動作。實(shí)時(shí)處理的性能是繼電保護(hù)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，F(xiàn)PGA邏輯部分和ARM部分軟硬件協(xié)同工作能夠保證這一點(diǎn)。

測試與測量設(shè)備

在高端示波器中，F(xiàn)PGA的并行大帶寬特性可以實(shí)時(shí)捕獲高速信號（如100Gbps），在射頻測試儀中，F(xiàn)PGA可以用來生成與分析5G NR信號。

FPGA可以用延時(shí)鏈產(chǎn)生精準(zhǔn)的脈沖，能夠通過硬件加速執(zhí)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算（如傅里葉變換、卷積、統(tǒng)計(jì)分析等），從而加速數(shù)據(jù)分析過程，實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。這在頻譜分析、時(shí)域分析和其他復(fù)雜測試中非常有用。在基因測序行業(yè)中，F(xiàn)PGA可以用來加速數(shù)據(jù)比對，提高測序效率。

高速工業(yè)相機(jī)

2D/3D高速工業(yè)相機(jī)通常需要捕捉和傳輸大量的圖像數(shù)據(jù)，尤其是高分辨率、高幀率的圖像。有的可達(dá)每秒幾千幀，F(xiàn)PGA 能夠提供極高的數(shù)據(jù)帶寬，直接與圖像傳感器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，避免了CPU或GPU可能存在的帶寬瓶頸。

FPGA還可以支持多種高速接口（如 GigE Vision、Camera Link、CoaXPress、PCIe等），能夠高效地與工業(yè)相機(jī)的傳感器和外部設(shè)備進(jìn)行連接，確保數(shù)據(jù)的快速傳輸。

小結(jié)

此系列文章，我們分為上中下三篇連載。本文是上篇，內(nèi)容主要介紹了FPGA的四大特點(diǎn)中的前面兩個(gè)：硬件可編程、并行及實(shí)時(shí)，以及這些特點(diǎn)帶來的主要市場機(jī)會。

在中篇里，我們將會繼續(xù)闡述FPGA另外兩大特點(diǎn)：高集成度、新工藝新接口。而在下篇中，我們會集中說一說FPGA的五大硬傷以及破局之道。

未完待續(xù)…

聲明：本文內(nèi)容全部來自業(yè)界資訊和個(gè)人理解，未涉及任何公司機(jī)密和客戶信息，僅供大家交流參考。

2025年3月