白話FPGA ,帶你走進集成電路新世界

很多小夥伴要求用講人話的方式說說FPGA的那些事,不能包含太複雜的概念和圖片,務必要通俗易懂!於是乎,下面這篇文章就誕生了,說實話,這可不是件容易的事情!下面且聽智哥細說。

白話FPGA ,帶你走進集成電路新世界

綜述

可以打幾個比喻來說,對於熱愛樂高的人來說 FPGA 設計就像搭積木,對於愛塗鴉的人來說FPGA就像是一張精密的畫布。藉助賽靈思這樣的FPGA廠商提供給設計師的易用的“畫筆”,有創意的設計師就能根據需求創作自己心儀的作品。

白話FPGA ,帶你走進集成電路新世界

FPGA的中文大名是“現場可編程門陣列”,於 1985 年由 Xilinx 創始人之一 Ross Freeman 發明。具體來說,FPGA是一個電子元器件,它不是協議,也不是編程語言。它就像一個盒子,裡面是各種邏輯門(邏輯門是在集成電路上的基本組件,簡單的邏輯門可由晶體管組成),你可以用這些門組成各種數字電路。

所以,FPGA編程本身指的就是編輯內部的電路結構。另外,給FPGA編程的語言就是硬件描述語言。你可以理解為FPGA這東西修改的是內部硬件,需要什麼就改改,FPGA 芯片可以每隔幾秒就改變芯片上的運行硬件設計,這就意味著採用這種技術的產品擴展性才這麼好。

在FPGA領域,最高大上的是宇航級抗輻射芯片。據說,Xilinx 7系列單顆最高等級宇航級芯片,可以買到北廣深一線城市的一套房子。

中國的FPGA現狀

早在90年代,中國人已經開始了FPGA板級產品的研製。經過20多年的發展,已經從板級跨越到芯片級,不管是千萬門級,還是宇航抗輻射級,都逐漸進入了FPGA強國行列。2013年,俄羅斯曾經提議,用他們的發動機換取中國的宇航級芯片,說的就是CPU和FPGA。

由於中國要搞空間站,探月三期,大火箭,大型高容量通信衛星,天基紅外預警衛星,中國自己研製。還是拿比較核心的FPGA來說,Xilinx 7系列裡面的航天級FPGA除了用非常手段外我們肯定拿不到。

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國外擁有 FPGA企業約 1.6-2 萬項專利,且許多都是核心專利,中國擁有的 FPGA 研發相關專利不超過 500 項此國內廠商非常欠缺 FPGA 核心技術,致使國內廠商發展不易,全球大部分 FPGA 核心人才都在美國,至少有 1 萬人以上,有少部分在新加坡等,而國內 FPGA 的研發人才非常少,不超過 1000 人

,且國外 FPGA 人才的儲備能量也遠遠高於我國;賽靈思/Altera 每年的研發投入分別約 5 億 /4 億美元。

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市場

全球 FPGA 市場規模持續攀升,亞太是 FPGA 主要市場,未來產業發展可期。根 據 Gartner 的數據,全球 FPGA 市場規模 2025 年達到 125 億美元,未來市場增速穩中有升。亞太區佔比達到 42%,是 FPGA 主要市場,中國 FPGA 市場規模約 100 億人民幣,未來隨著中國 5G 部署及 AI 技術發展,國內 FPGA 規模有望進一步擴大。

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應用領域

目前 FPGA 在通訊領域應用佔比約 40%,消費電子佔據 23%;根據 MRFR 預測 至 2025 年時最大的應用領域將是汽車,佔比 29%,而數據中心以及工業的佔比也將直 線上升至 13%和 19%.

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汽車領域

目前汽車相機以及傳感器中, FPGA 的應用已經相對成熟,而在未來發展的趨勢中,FPGA 將是最合適用於處理越來越複雜的 ADAS 和自動駕駛功能的芯片。

例如,輔助駕駛系統視頻分析功能採用超低延時精確算法,對來自車輛攝像機的實時視頻輸入進行分析,在瞬間做出判斷。FPGA 在未來汽車中主要應用在 ADAS/AD 系統、馬達控制、激光雷達、車載信息娛樂系統和駕駛員信息系統,成長空間很大。

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使用 FPGA 能持續適應汽車產業所新增的需求,而無需進行重新設計及生產新芯片,真正實現芯片的個性化,可定製化,以及可更改化。自動駕駛技術的發展將提高 FPGA 在汽車半導體中的價值佔比。

通訊領域

FPGA 在通信領域中獲得廣泛應用,主要鑑於它的可編程靈活性,在通訊協議經常變化和升級的情況下具有不可替代的地位。在全球 5G 基礎設施建設進程下,FPGA作為核心零部件,用量也會隨之提升,IoT、終端設備及邊緣計算領域的 FPGA 需求也將增長。

FPGA 通訊領域基本為賽靈思和 Altera 所壟斷,下游客戶以 5G 設備供應商和移動運營商為主。而作為 5G 早期部署階段的絕對龍頭,賽靈思攬獲了行業客戶超過 90%的 Pre-5G 部署和超 80%的 5G 測試設備。2019財年,賽靈思的收入歷史上首次突破30億大關,比2018財年增長24%,通信收入較上一財年增長34%。

數據中心

數據中心邏輯芯片是百億美元市場,低延遲+高吞吐奠定 FPGA 核心優勢。根據 Intel 披露的數據,數據中心領域邏輯芯片市場規模 2022 年 有望達到 80-100 億美元。數據中心 FPGA 主要用在硬件加速。

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就業

通信設備公司

通信是FPGA的重要市場,通信設備廠商會有通信邏輯崗位來開發設備中的 FPGA/ASIC 芯片,當前通信設備的ASIC化越來越高,但FPGA在設備開發流程,ASIC芯片開發需求驗證等環節中仍有需求,開發面向無線通信,光接入網,網絡通信的應用,就業單位:華為/中興/思科/愛立信/諾基亞西門子等。

IC設計公司

有兩類職位:FPGA原型驗證/IC設計驗證,前者是FPGA本行,後者偏向微電子,就業單位:華為海思/若干或新興或傳統的國內IC企業。

高附加值產品公司

醫療圖像類公司/圖像處理/嵌入式/測試設備廠商/高速協議實現經歷/高頻交易等金融類應用

硬件加速應用

①數據中心加速BAT等互聯網公司,雲以及IDC公司硬件

②機器學習/人工智能

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軍工,航空航天,電子等領域企業與研究所

軍工航空航天是FPGA另一重要的市場。研究所有大量的原型開發需求涉及民機, 軍機,火箭,導彈,衛星,空間站,雷達,聲吶。這些原型設計以及相關產品中都大量使用FPGA。

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政策

芯片產業是整個信息產業的核心部件和基石,也是國家信息安全的最後一道屏障,芯片高度依賴進口使得整個國家安全受到嚴重威脅。

西方發達國家一直對出口到中國的集成電路製造裝備和材料以及工藝技術嚴格審查和限制。這對我國集成電路產業發展構成了嚴重製約,問題日益凸顯。與此同時,隨著我國國民經濟的快速發展尤其是信息化進程的加快,對集成電路產品的需求持續快速增長,從2006年開始,集成電路產品超過石油成為我國最大宗進口產品,2018年和2019年,每年進口額均超過3000億美元。

在2018年全國“兩會”的政府工作報告中,集成電路被列入《政府工作報告》加快製造強國五大產業首位。根據《中國製造2025》規劃,到2025年中國集成電路自給率提升到70%。但目前我國上游相關電子材料自給率低,國產化替代空間巨大。

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近年來國家出臺了一系列鼓勵扶持政策,為芯片行業建立了優良的政策環境,促進芯片行業自主創新,改善擺脫依賴別國的窘境。在區域產業聚集方面,隨著地方政府與企業的跟進合作,中國集成電路已經形成上海為中心的長三角、北京為中心的環渤海、深圳為中心的泛珠三角以及武漢、西安、成都為代表的中西部四個各具特色的產業集聚區;北京、上海、合肥等數十個城市已建或者準備建設集成電路產業園。

根據工信部發布的《中國集成電路產業人才白皮書(2018-2019年版)》數據統計,到2020年前後,我國集成電路行業人才需求規模約為72萬人左右,而我國現有人才存量46萬人,人才缺口將達到26萬人。

結束語:

寫到這裡,智哥已經儘量做到雅俗共賞了,如果客官還是感覺有點抽象,就記住一句話,這個行業前景真的很好,國家在未來10年都會大力扶持,這就是風口!


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