在上篇中，我們介紹了FPGA的前面兩個(gè)特點(diǎn)：硬件可編程、并行與實(shí)時(shí)，也列舉了這兩個(gè)特點(diǎn)帶來的諸多機(jī)會。在本文中，我們將繼續(xù)介紹另外兩個(gè)特點(diǎn)，以集齊FPGA的四大特點(diǎn)和生存機(jī)會。

FPGA四大特點(diǎn)與生存機(jī)會（續(xù)）

特點(diǎn)三：集成度高

FPGA從90年代就開始逐漸集成一些硬化功能模塊，如SRAM塊，DSP塊，高速串行收發(fā)器XCVR或叫Serdes，PCIe和以太網(wǎng)硬核，DDR控制器，CPU，后來集成了高速ADC/DAC，再后來集成了H.264/265 Codec，HBM，AI加速引擎AIE或叫NPU。

說到集成ARM處理器的FPGA SOC，賽靈思ZYNQ系列的成功堪稱史詩級，可以說在FPGA圈毫無對手。據(jù)不完全估計(jì)，賽靈思有接近一半銷售額來自ZYNQ和ZYNQ Ultrascale系列。甚至7納米的產(chǎn)品系列，全部都集成了ARM處理器，你不用都會覺得浪費(fèi)。

「ZYNQ內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的PL與PS」

Intel常年以x86盟主自居，因此旗下Altera對ARM首鼠兩端，SOC做的并不成功。最近幾年，集成RISC-V這種開源架構(gòu)處理器，在諸多方面變得越來越有吸引力，讓我們拭目以待。

我認(rèn)為，這種集成仍然要有傳統(tǒng)FPGA邏輯才有意義，否則只是單純集成其他功能模塊，有無數(shù)商家可以做，F(xiàn)PGA廠家優(yōu)勢將不復(fù)存在。當(dāng)然，高集成度的成本也必須可控，如果像早期ZYNQ定價(jià)策略那樣，把高集成度當(dāng)奢侈品賣，一定曲高和寡，大部分客人就會轉(zhuǎn)而追求低成本而犧牲一定的集成度。比如國產(chǎn)ARM SOC+國產(chǎn)FPGA組合這幾年就比較火，且國產(chǎn)ARM SOC的性能和AI算力都很能打，性價(jià)比高。

隨著集成度一路走高，也給FPGA帶來了大量機(jī)會。

通用SOM核心板

當(dāng)FPGA SOC出現(xiàn)以后，有一種用法是把它做成SOM，即核心板，就像x86嵌入式應(yīng)用中的COMe那樣。通用核心板不分具體應(yīng)用，可以根據(jù)客戶的應(yīng)用自由定義，在工業(yè)，醫(yī)療，儀器儀表等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它具備普通ARM核心板的特性，也有FPGA部分的靈活性來自由定制其他功能。

「System on Module, SOM」

機(jī)器人，運(yùn)動控制，PLC

FPGASOC結(jié)合了ARM處理器與FPGA邏輯單元，這種架構(gòu)讓工業(yè)控制應(yīng)用能夠在硬件和軟件之間實(shí)現(xiàn)高速高效協(xié)同工作。CPU可以運(yùn)行PLC控制算法、機(jī)器人路徑規(guī)劃、運(yùn)動控制算法等復(fù)雜的高層軟件任務(wù)。FPGA部分用于實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)、低延遲的控制任務(wù)，如信號采集、傳感器數(shù)據(jù)處理、PWM信號生成、運(yùn)動軌跡控制等。FPGA的并行處理能力使得這些控制任務(wù)能夠在硬件層面高效達(dá)成。

由于FPGASOC的高集成度，實(shí)時(shí)性，靈活可定制，在運(yùn)動控制和伺服驅(qū)動領(lǐng)域，搶掉了很多傳統(tǒng)工業(yè)處理器和DSP處理器的市場，在工業(yè)打印機(jī)，3D打印機(jī)，血液生化分析儀，ATM存取款機(jī)等機(jī)電一體的設(shè)備中都有合適的應(yīng)用場景。

「協(xié)作機(jī)器人」

醫(yī)療內(nèi)窺鏡，手術(shù)機(jī)器人

內(nèi)窺鏡是另一個(gè)集成度要求很高的應(yīng)用場景。通常內(nèi)窺鏡CHU(攝像探頭)里面會有一個(gè)FPGA做視頻接口和預(yù)處理，CCU(攝像主機(jī))里面可以用FPGA做ISP，用硬核做H.264/265壓縮并存儲，部分高端系統(tǒng)會用FPGA做AI推理加速，增強(qiáng)圖像效果，提供輔助診斷。

手術(shù)機(jī)器人基本上就是內(nèi)窺鏡加精密機(jī)械臂控制，而據(jù)說手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂上面的馬達(dá)非常精密，與工業(yè)機(jī)器人完全不是一個(gè)量級。目前這部分依賴進(jìn)口，以后或許可以國產(chǎn)替代。

車載激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)

最近幾年興起的車載激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，由于體積受限，對系統(tǒng)集成度要求很高。舉例來說，FPGA SOC在車載毫米波雷達(dá)中主要承擔(dān)數(shù)字信號處理與系統(tǒng)控制的核心角色。PL部分負(fù)責(zé)TDC延時(shí)鏈生成，處理雷達(dá)信號，執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT）、距離/速度解算等任務(wù)。PS部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)融合、通信與決策。ASIL C/D級別功能安全（FuSa）需要PL和PS協(xié)同工作，相互監(jiān)控。最后生成4D點(diǎn)云（距離、速度、方位角、高度），送往自動駕駛域控制器。

「車載激光雷達(dá)」

KVM坐席管理系統(tǒng)

大型指揮調(diào)度場所的坐席管理是一個(gè)有趣的市場。中低端的分布式KVM用普通的H.264/265 Codec就行，海思或Rockchip都可以，對延時(shí)和畫質(zhì)要求不高，這種應(yīng)用基本沒有FPGA啥事。而高端應(yīng)用，延時(shí)敏感，畫質(zhì)要求高的場景，就有FPGA用武之地了。FPGA SOC主打低延時(shí)高品質(zhì)，首先自己內(nèi)嵌的H.264/265 Codec要夠好延時(shí)夠低，至少要支持42，可以做高質(zhì)量視頻深壓縮，也可以做預(yù)覽流，其次用邏輯部分做出淺壓縮（比如JPEG2000, JPEG XS），實(shí)現(xiàn)雙流。賽靈思ZUxEV推出時(shí)，也沒具體針對KVM應(yīng)用，但提高集成度會帶來意想不到的市場。

另外，相對于分布式KVM，光纖KVM就是另一個(gè)故事了。通常光纖KVM不采用視頻壓縮，用FPGA多通道Serdes實(shí)現(xiàn)大帶寬暴力傳輸，保證極低延時(shí)和無損畫質(zhì)。

「KVM坐席管理系統(tǒng)」

專業(yè)相機(jī)和編解碼器

在PTZ專業(yè)相機(jī)和視頻編碼器市場，與KVM的需求有點(diǎn)類似。他們通常也需要深淺雙流壓縮，比如Full NDI淺壓和H.264/265深壓。NDI用PL和PS部分實(shí)現(xiàn)，H.264/265用Codec硬核搞定。

5G基站RRU

賽靈思的RFSOC DFE將數(shù)字前端（DFE）、ADC/DAC 和可編程邏輯整合在單一芯片中，減少外部元件依賴，極大地簡化了5G NR基站RRU的設(shè)計(jì)，成功吸引了一些客戶。Altera甚至ADI都在垂涎這一市場。

集成HBM的FPGA

大家都知道現(xiàn)在的GPU都集成了HBM（高帶寬內(nèi)存），有的FPGA內(nèi)部也集成了HBM。FPGA可以通過大量的并行處理單元同時(shí)執(zhí)行多個(gè)哈希計(jì)算任務(wù)，結(jié)合HBM時(shí)，可以更有效地利用內(nèi)存帶寬，進(jìn)行更高效的數(shù)據(jù)訪問和處理，非常適合數(shù)字貨幣挖礦。在超高端儀表和路由器的場景，在外掛DDR已經(jīng)不可行的情況下，帶HBM的FPGA也非常適用。同樣在廣播里面的安全播控應(yīng)用中，F(xiàn)PGA中HBM的大帶寬的存儲，可以用來實(shí)時(shí)存儲并過濾掉敏感內(nèi)容。

「HBM與處理器合封」

ACAP有什么用

當(dāng)FPGA集成了標(biāo)量處理器，如ARM，又集成了矢量處理器，如AIE或NPU，傳統(tǒng)的FPGA邏輯部分稱為自適應(yīng)處理器，這種異構(gòu)計(jì)算平臺還能叫FPGA嗎？賽靈思把它叫作ACAP，即“自適應(yīng)計(jì)算加速平臺”，但這個(gè)稱謂并不主流。

一個(gè)典型的異構(gòu)計(jì)算平臺，不能沒有矢量處理器，用來做矩陣運(yùn)算或AI推理加速。典型的應(yīng)用場景是汽車自動駕駛，ACAP可以做自動駕駛域的主芯片。在醫(yī)療內(nèi)窺鏡中，NPU可以實(shí)時(shí)做圖像增強(qiáng)等輕量化的AI加速應(yīng)用，也可以用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）。內(nèi)窺鏡圖像可以與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精確的虛擬影像疊加。而在智能監(jiān)控和智能制造領(lǐng)域，ACAP也都可以找到合適的應(yīng)用。

特點(diǎn)四：新工藝，新接口

記得Altera的工藝專家曾自豪的說，我們和臺積電是緊密的排他合作伙伴，臺積電也喜歡用FPGA測試最新的工藝，然后再普及到其他品類的芯片上。那時(shí)FPGA總是緊跟最新工藝，很早就支持那些新的接口，因此會帶來很多新機(jī)會。后來，賽靈思和臺積電私下勾兌，完全不顧所謂的"排他"伙伴，以至于Altera在工藝上的優(yōu)勢不再。這跟AMD與Intel的情況非常相似，2017年以后，AMD拋棄自己剝離出來的芯片代工廠Global Foundry，倒向臺積電代工其主流處理器，新工藝成了其反攻Intel的重要優(yōu)勢。

二十多年前，Lattice收購的Lucent ORCA是業(yè)界第一個(gè)帶10G Serdes的FPGA，通信大廠趨之若鶩。盡管滿屏Bug，我們還是傻傻的研究了很長時(shí)間。不過真的是太難用了，否則就會被用在新產(chǎn)品上。這說明一個(gè)新的接口對FPGA的選用是很關(guān)鍵的，會先入為主帶來新的機(jī)會。現(xiàn)今的應(yīng)用，只有Serdes當(dāng)然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楹苌贂盟接袇f(xié)議跑Serdes，需要足夠多的接口IP來配合使用。

新工藝帶來新接口，新接口支持更大帶寬。讓我們從這幾個(gè)角度，來審視一下FPGA的機(jī)會。

視頻接口與接口轉(zhuǎn)換

FPGA其中一個(gè)重要應(yīng)用就是各種五花八門的接口轉(zhuǎn)換。這里的生存法則很簡單：誰有硬件，誰有IP，誰性價(jià)比高，誰就有市場。

當(dāng)年Lattice 帶3G Serdes的FPGA性價(jià)比最高，在視頻接口市場做得風(fēng)生水起，占據(jù)了大部分1080p(Full HD)及以下的市場。而等視頻到了4K時(shí)代，Serdes速度需求提升至 6G以上甚至12G，由于研發(fā)進(jìn)度沒跟上，逐漸丟失了部分市場。反而賽靈思由于Serdes速度更高更穩(wěn)定以及對12G SDI, HDMI2.0的接口和IP支持，贏得了相當(dāng)一部分市場。

再比如Lattice就有個(gè)系列叫Crosslink，定義為專門的“視頻連接FPGA”，主要特點(diǎn)是硬化了MIPI DPHY，PCIe，USB等接口，用戶可以方便的實(shí)現(xiàn)視頻互連和轉(zhuǎn)接，市場接受度也不錯(cuò)。最近也有FPGA廠家推出了硬化MIPI CPHY的產(chǎn)品，CPHY是三電平電路，實(shí)現(xiàn)難度比DPHY要大，率先支持CPHY也一定會搶得先機(jī)，在視頻轉(zhuǎn)接和測試測量市場先入為主。

新的視頻接口如HDMI2.1，DP1.4/2.1，STMPTE ST2110接口和IP，誰有誰就可能率先被采用。SLVS-EC接口常用于高速CMOS圖像傳感器與處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，單Lane可達(dá)10Gbps，對想接入高端SONY Sensor的用戶來說也必不可少，有的廠家也推出了免費(fèi)IP，降低了客戶的使用門檻。

隨著視頻分辨率的不斷提升，對FPGA支持新接口的要求也在不停的提高。

測試測量儀表

由于FPGA可以并行控制多個(gè)測量通道，它非常適合用于高通量的自動化測試，特別是在半導(dǎo)體測試、電子設(shè)備性能驗(yàn)證等場合。對FPGA來說，就是需要大帶寬，數(shù)據(jù)要“收得到，存的下，送得出”。不管是接收端，存儲端（DDR或HBM），還是發(fā)送端，都需要大帶寬。數(shù)據(jù)經(jīng)過采集，存儲，預(yù)處理，通常需要高帶寬的PCIe接口把測試數(shù)據(jù)上傳，送回x86或GPU做進(jìn)一步處理，因此支持新的PCIe Gen4/5接口就有天然的優(yōu)勢。

在攝像頭模組和屏測試應(yīng)用中，支持MIPI CSI/DSI DPHY/CPHY標(biāo)準(zhǔn)是必需的，一些高端屏采用HDMI和eDP接口，需要測試這些攝像頭和屏體就必須接入這幾種接口。在存儲器ATE測試市場，DDR5/LPDDR5的接口支持是必須的，且數(shù)量多多益善。100/400/800G以太網(wǎng)測試儀，也需要相應(yīng)的接口IP支持。

隨著帶寬需求不斷增長，新的接口標(biāo)準(zhǔn)也不停的更新，高端市場拼的就是硬實(shí)力了。比如，在高速ADC/DAC接口處，JESD204B單Lane帶寬為12.5Gbps，而JESD204C單Lane達(dá)到32Gbps，誰的Serdes能穩(wěn)定的接上，這部分就是誰的市場，顯然高端市場對成本并不太敏感。

而PAM4 Serdes采用四電平傳輸，帶寬比NRZ（兩電平）高一倍，在波特率28Gbps時(shí)，單Lane帶寬可達(dá)56Gbps。在高端數(shù)據(jù)中心，光通信，無線通信，800G網(wǎng)絡(luò)測試儀中也有相當(dāng)多的應(yīng)用。

「NRZ和PAM4的眼圖示意」

小結(jié)

我們在上篇和中篇主要介紹了FPGA的四大特點(diǎn)以及這些特點(diǎn)帶來的主要市場機(jī)會。有了這些機(jī)會以后，F(xiàn)PGA就可以高枕無憂了嗎？事實(shí)并非如此。商場如戰(zhàn)場，陣地絕非一成不變，此消彼長時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生。

下篇中，就讓我們一起聊聊FPGA面臨的困境，其五大硬傷以及可能的破局之策。

未完待續(xù)…

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