FPGA（现场可编程门阵列）问世已 40 周年。在这漫长岁月中，FPGA 技术不断演进，从最初的简单逻辑器件发展到如今复杂的可编程系统。如今，全球 FPGA 市场竞争激烈，国外厂商长期占据主导地位。然而，国产 FPGA 能否在这一领域挑起大梁成为关注焦点。近年来，国内企业在 FPGA 技术研发上投入巨大，取得了不少突破。虽然与国外先进水平仍有差距，但已展现出强大的追赶态势。随着技术的持续进步和政策的支持，国产 FPGA 有望在未来打破国外垄断，在 FPGA 领域书写辉煌篇章。

本文来自微信公众号：电子工程世界 （ID：EEworldbbs），作者：付斌

在嵌入式领域，FPGA是非常重要的一种器件。今日，AMD宣布首款商用现场可编程门阵列（FPGA）已经问世40周年。

在FPGA背后有哪些故事，目前国内国外发展情况如何，国产FPGA能否独挑大梁？

从替代ASIC到边缘AI

FPGA的颠覆在于引入了可重新编程硬件的理念。通过创建“像软件一样灵活的硬件”，FPGA重编程逻辑改变了半导体设计的面貌。开发人员第一次可以设计芯片，如果规格或要求在中途甚至在制造之后发生变化，他们可以重新定义其功能以执行不同的任务。这种灵活性使新芯片设计的开发更加迅速，加快了新产品的上市时间，并为ASIC提供了替代方案。

FPGA的发明对市场的影响是惊人的。FPGA开创了一个10+亿美元的行业。

FPGA是由已故的Ross Freeman发明的，他是Xilin（现在是AMD的一部分）的联合创始人，他是一位工程师和创新者，他认为必须有一种更好、更具成本效益的芯片设计方法，而不是标准的固定功能ASIC器件。FPGA为工程师提供了即时更改芯片设计的自由和灵活性，并能够在一天内开发和设计定制芯片。FPGA还帮助开创了“无晶圆厂”（Fabless）商业模式，改变了整个半导体行业。通过消除对定制掩模工具的需求和相关的非经常性工程成本，FPGA通过证明公司不需要拥有代工厂来创造突破性的硬件，他们只需要视觉、设计技能和FPGA，从而帮助加速硬件创新。

自世界上第一个商用FPGA（XC2064）出货以来的40年里，FPGA在电子领域无处不在，并深深嵌入到日常生活中。如今，自适应计算设备，包括FPGA和自适应SoC以及系统级模块（SOM），无处不在，从汽车、铁路车厢和交通信号灯到机器人、无人机、航天器和卫星，再到无线网络、医疗和测试设备、智能工厂、数据中心，甚至高频交易系统。

世界上第一款商用FPGA XC2064具有85，000个晶体管、64个可配置逻辑块和58个I/O块。相比之下，当今最先进的基于AMD FPGA的器件（如Versal Premium VP1902）具有1，380亿个晶体管、1，850万个逻辑单元、2，654个I/O模块、多达6，864个DSP58引擎，以及用于内存、安全和接口技术的广泛硬核IP

自从1985年赛灵思发明FPGA以来，FPGA容量已经提高了一万倍以上，速度提高了一百倍以上，价格和功耗缩小了一千倍以上。

而在应用方面，FPGA正在加大对于边缘AI领域的探索，更多市场被AI所撬动。

如今，大多数AI工作负载都在数据中心GPU上运行。然而，越来越多的AI处理正在边缘进行。FPGA技术处于各行各业中注入AI的应用快速增长的最前沿。FPGA和自适应SoC提供实时传感器数据的低延迟处理，从而在边缘加速AI推理。随着最近推出的更小的生成式AI模型，可以看到“ChatGPT时刻”即将到来，这些新的AI模型可以在边缘设备上运行，无论是在AI PC、车辆、工厂机器人、太空还是任何嵌入式应用程序上。

展望未来，基于FPGA的自适应计算将继续推动边缘AI应用的突破，用于自动驾驶、机器人和工业自动化、6G网络、气候变化、药物发现、科学研究和太空探索。

FPGA国际四雄，不分伯仲

经过几十年的寡头垄断和行业整合，目前全球FPGA市场方面，AMD、Altera、莱迪思（Lattice）、微芯科技（Microchip）成为国际四雄，瓜分全球将近70%~80%的市场份额。

第一，AMD（赛灵思Xilinx）作为FPGA的发明者，其过去25年一直是FPGA市场份额的领导者。在过去的四十年里，已经向不同细分市场的7，000多家客户交付了超过30亿个FPGA和自适应SoC（将FPGA架构与片上系统和其他处理引擎相结合的设备）。事实上，在过去25年中一直是可编程逻辑市场份额的领导者，AMD相信，凭借产品组合和路线图的优势，AMD有能力继续保持市场领先地位。

过去40年里，AMD创新和不断发展的市场需求导致了FPGA技术的许多惊人突破：

1985年：XC2064–第一款商用FPGA

1990年代：XC4000和Virtex™FPGA–率先为无线基础设施提供嵌入式RAM和DSP。

1999年：推出Spartan系列–为大批量应用提供传统ASIC的高性价比替代方案。

2001年：第一款集成了SerDes的FPGA。

2011年：Virtex-7 2000T成为业界首个生产部署的晶圆基板芯片（CoWoS）封装--有助于率先使用先进的2.5D集成技术，这些技术已成为HPC系统的基础，现在正在推动AI的GPU创新浪潮。

2012年：Zynq系列–首款将Arm CPU与可编程逻辑相结合的自适应SoC。

2012年：Vivado™Design Suite–使软件开发人员能够使用FPGA设计。

2019年：推出首款Versal ACAP——推出专用AI引擎和可编程片上网络（NOC）。

2019年：Vitis™统一软件平台–提供预优化的AI工具和抽象层，以加快推理速度。

2024年：Versal AI Edge系列Gen 2–集成可编程逻辑、CPU、DSP和AI引擎，在单芯片上实现首个端到端AI加速，并为需要异构、低延迟和高能效计算的新一代应用提供支持。

2024年：Spartan UltraScale+FPGA系列，进一步丰富了广泛的成本优化型FPGA和自适应SoC产品组合，为边缘的I/O密集型应用提供经济高效的性能。

从上面可以看出AMD特别关注AI，除了AI领域，AMD特别关注汽车领域。智能座舱是最近几年厂商发力的重点，但车厂逐渐发现，现有SoC扩展能力不足，面对多传感融合具备一定挑战，这种情况下，FPGA更具优势。日前，AMD便针对ADAS传感器应用和车载信息娱乐系统（IVI），推出了AMD汽车车规级（XA）系列的最新成员：Artix™UltraScale+™XA AU7P。

不过，相对来说，AMD目前策略还是将赛灵思的FPGA当作整个解决方案的一环，不会特别强调FPGA的特殊地位。毕竟FPGA也有自己的专长，而不是一个万能的通解，AMD更想提供高性能CPU、GPU、FPGA和自适应SoC一整套产品线。

第二，Altera重新变成独立公司，FPGA格局再生变。英特尔在前首席执行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）的领导下，开始了剥离Altera的程序。新任首席执行官陈立武（Lip-Bu Tan）上任仅两周，便已着手开展各项工作。陈立武精心策划，将Altera 51%的股份以44.6亿美元的价格出售给私募股权巨头银湖资本(Silver Lake Partners)，使得这家FPGA制造商的估值达到87.5亿美元。当然，这比英特尔2015年6月收购Altera时支付的167亿美元要少得多。

拆分后，Altera一直比较看重Agilex这个产品系列，并第一时间发布面相智能边缘的Agilex™3 FPGA和SoC FPGA。Altera的Agilex™3 FPGA和SoC可在不影响性能的前提下显著提高成本效益。其通过出色的Hyperflex®FPGA架构、先进的收发器技术、更高的集成度和更强大的安全功能，助用户将项目提升至新的高度。

有意思的是，Altera拆分后还放出了Agilex™3与莱迪思Certus-N2跑分对比数据，数据显示，全面碾压莱迪思。

第三，Lattice坚持以中小尺寸产品走中低端路线，是其多年前便选定的竞争策略，整体在多年中表现比较稳健。Lattice目前比较关注三个市场。

AI方面，Lattice正在探索如何利用AI，特别是生成性AI（Gen AI）的最新研究成果，来提升整个开发过程。具体而言，Lattice更专注在AI推理（inference），尤其是在边缘端的推理应用。边缘端推理通常对功耗有更高的要求，而在性能上则可以做一定的妥协。关于机器人和仿真机器人的马达控制也是Lattice比较传统的应用。

汽车方面，Lattice一直在加大“在中国为中国”战略，与国内大部分汽车Tier-1厂商已有非常紧密的合作关系，并且对后期市场充满信心。2024年，Lattice针对汽车应用领域推出5到6款不同的应用方案。如果将这些新方案与不同的Tier-1厂商数量以及每年新产品迭代的速度相乘，整体应用方案的推广速度将在后期呈指数级增长。

工业方面，Lattice有很好的预期，其在中国已拥有众多客户。由于工业细分市场之间具有互补性，某些增长速度较慢的市场可以被其他市场所补充。因此，我们将工业市场视为基线，作为收入增长的最大驱动力。

第四，Microchip一直FPGA领域的“隐形冠军”，其本身产品拥有很多核心科技，只不过好像没有AMD、Altera那样经常被提起。

今年，Microchip也开始发力向AMD、Altera和Lattice争夺市场份额。最近，Microchip对其PolarFire现场可编程逻辑FPGA和系统级芯片(SoC)器件的价格进行了调整，通过禁用芯片上的某些模块(尤其是收发器)来降低定价，以降低PolarFire Core和PolarFire SoC Core的测试成本，整体价格也降低了30%。通过“模块裁剪”策略，降低成本实现精准产品定位。

此外，值得注意的是，PolarFire SoC产品内置五核RISC-V架构，支持异构多系统并行运行，体现了Microchip向开放指令集架构（ISA）生态靠拢的战略方向。

可以说，Microchip的降价不仅是价格策略，更是争夺市场份额、生态主导权的战略举措。FPGA行业竞争焦点已从晶体管密度转向AI时代的高性价比算力平台。

国产FPGA，大器晚成

“造芯就是砸钱”，FPGA领域则砸得更狠。国内FPGA设计始于20世纪90年代，真正技术发展于2000年以后，起步比国外晚十多年。FPGA研发技术含量很高，无论从逻辑单元数量到制程工艺等国内外厂商均有差距。

目前国内与FPGA相关研发企业数量超过28家，其中已在A股上市的企业包括复旦微电子、安路科技、航锦科技，成都华微电子上市“已问询”，紫光同创在日前启动上市辅导备案，云半导体、京微齐力、中科亿海微、智多晶、遨格芯微、易灵思则一直被加注。

具体来说，复旦微电在国内较早推出亿门级FPGA，新一代十亿门级产品正在研发中，并且有可编程片上系统的技术储备；紫光同创覆盖高、中、低端等多层次FPGA市场；安路科技在FPGA/集成CPU、FPGA、数据处理专用引擎等单芯片产品方面都有储备，量产供货产品已覆盖100K以内的逻辑单元规模，并且PHOENIX1系列中逻辑单元为400K的新产品已成功流片；京微齐力基于22nm工艺制程的FPGA已成功量产；易灵思基于RISC-V软核的FPGA已商用，并在16nm、40nm有长期的产品规划；西安智多晶自主研发的Seal 5000、Sealion 2000系列FPGA/CPLD芯片经过工业和信息化部电子第五研究所评估认证，通过了自主可控等级评定。

而纵观安路科技、紫光同创、复旦微电几家公司关键业务数据，由于研发费用占比一度超100%，导致有一段时期净利为负。不过，得益于政策倾斜和科研项目经费补贴，这种窘境一定程度上得以缓解。

通过对比国际尖端产品，核心参数差距依然较大。不过，国内也非常注重软件生态的建设。

比如说，智算平台是复旦微磨砺3年研发出来的一款针对CNN卷积神经网络的基于FPGA的深度卷积神经网络加速平台，具有高算力、低功耗的加速效果，提供高达1TGOPS的算力，灵活的支持VGG、YOLO、FaceNet等主流深度神经网络等优势。

再比如，2022年5月，安路科技发布SF1系列FPSoC器件，SF1以单芯片实现了RISC-V和可编程逻辑的优势融合，获得广泛市场关注。

又比如，Pango Design Suite EDA套件是紫光同创基于多年FPGA开发软件技术攻关与工程实践经验而研发的一款拥有国产自主知识产权的大规模FPGA开发软件，可以支持千万门级FPGA器件的设计开发。

总计起来，国产主要存在以下三个发展瓶颈：

专业壁垒：美国几乎持有所有FPGA核心专利，不过FPGA商用至今，许多专利开始慢慢到期；

人才问题：EDA核心工具专业人才，特别是布局布线的算法高级人才几乎没有；

生态环境：当前基本都是AMD（Xilinx）、Altera、Lattice的生态，后进者难以建立生态优势，IP资源圈、开发资源圈都得从头建设。

不过，随着边缘AI进一步火热，加之专利逐渐到期，国内FPGA发展迎来春天。这些公司也普遍都有FPGA与AI结合的相关产品。