撰寫簡單的FPGA的主流技術(shù)與市場表現(xiàn)方面的調(diào)研報告，表達自己的認知和發(fā)展展望，500字，圖片，表格除外

FPGA簡介

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一種可編程邏輯器件，是在PAL （可編程陣列邏輯）、GAL（通用陣列邏輯）等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于通信、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、人工智能等領(lǐng)域

FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點它具有靈活性和可重新配置性，可以根據(jù)需要進行快速的硬件設(shè)計和開發(fā)

?與傳統(tǒng)模式的芯片設(shè)計進行對比，F(xiàn)PGA 構(gòu)成了半定制電路中的典型集成電路，其中含有數(shù)字管理模塊、內(nèi)嵌式單元、輸出單元以及輸入單元等。在此基礎(chǔ)上，著眼于綜合性的芯片優(yōu)化設(shè)計，通過改進當前的芯片設(shè)計來增設(shè)全新的芯片功能，據(jù)此實現(xiàn)了芯片整體構(gòu)造的簡化與性能提升

FPGA主流技術(shù)

FPGA可用于處理多元計算密集型和通信密集型任務(wù)，依托流水線并行結(jié)構(gòu)體系

計算密集型任務(wù)

矩陣運算、機器視覺、圖像處理、非對稱加密等計算密集型任務(wù)可由CPU卸載至FPGA執(zhí)行

計算性能方面，Stratix系列FPGA進行整數(shù)乘法運算，其性能與20核CPU相當，進行浮點乘法運算，其性能與8核CPU相當；FPGA進行整數(shù)乘法、浮點乘法運算，性能相對GPU存在數(shù)量級差距，可通過配置乘法器、浮點運算部件接近GPU計算性能

FPGA執(zhí)行計算密集型任務(wù)核心優(yōu)勢在于FPGA加速方案下，PCIe時延可降至微秒級別，而傳統(tǒng)GPU加速方案下數(shù)據(jù)包規(guī)模較大，時延可達毫秒級別

FPGA可針對數(shù)據(jù)包步驟數(shù)量搭建同等數(shù)量流水線（流水線并行結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)包經(jīng)多個流水線處理后可即時輸出，處理速度快；用于處理通信密集型任務(wù)不受網(wǎng)卡限制，在數(shù)據(jù)包吞吐量、時延方面表現(xiàn)優(yōu)于CPU方案，時延穩(wěn)定性較強

通信密集型任務(wù)

對稱加密、防火墻、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等人物處理相對計算密集數(shù)據(jù)處理復雜度較低，易受硬件設(shè)備限制

① 吞吐量優(yōu)勢：FPGA可接入40Gbps、100Gbps網(wǎng)線，并以線速處理各類數(shù)據(jù)包，可降低網(wǎng)卡、交換機配置成本；而CPU方案需通過網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)，易受網(wǎng)卡性能限制，時延較長

② 時延優(yōu)勢：FPGA無需指令，可保證穩(wěn)定、極低時延，F(xiàn)PGA協(xié)同CPU異構(gòu)模式可拓展FPGA方案在復雜端設(shè)備的應(yīng)用；CPU方案通過網(wǎng)卡收集數(shù)據(jù)包，處理通信密集任務(wù)時延近5微秒，且CPU時延穩(wěn)定性較弱，高負載情況下時延或超過幾十微秒

部署方式特點及限制

FPGA部署包括集群式、分布式等，逐漸從中心化過渡至分布式，不同部署方式下，服務(wù)器溝通效率、故障傳導效應(yīng)表現(xiàn)各異

① 集群部署特點及限制：FPGA芯片構(gòu)成專用集群，形成FPGA加速卡構(gòu)成的超級計算器（如Virtex系列早期實驗板于同一硅片部署6塊FPGA，單位服務(wù)器搭載4塊實驗板）

• 專用集群模式無法在不同機器FPGA之間實現(xiàn)通信；
• 數(shù)據(jù)中心其他機器需集中發(fā)送任務(wù)至FPGA集群，易造成網(wǎng)絡(luò)延遲；
• 單點故障導致數(shù)據(jù)中心整體加速能力受限

② 網(wǎng)線連接分布部署：為保證數(shù)據(jù)中心服務(wù)器同構(gòu)性，該部署方案于不同服務(wù)器嵌入FPGA，并通過專用網(wǎng)絡(luò)連接，解決單點故障傳導、網(wǎng)絡(luò)延遲等問題

• 類同于集群部署模式，該模式不支持不同機器FPGA間通信；
• 搭載FPGA芯片的服務(wù)器具備高度定制化特點，運維成本較高

③ 共享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署：該部署模式下，F(xiàn)PGA置于網(wǎng)卡、交換機間，可大幅提高加速網(wǎng)絡(luò)功能并實現(xiàn)存儲虛擬化。FPGA針對每臺虛擬機設(shè)置虛擬網(wǎng)卡，虛擬交換機數(shù)據(jù)平面功能移動至FPGA內(nèi)，無需CPU或物理網(wǎng)卡參與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)過程。該方案顯著提升虛擬機網(wǎng)絡(luò)性能（25Gbps），同時可降低數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲（10倍）

?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-732667.html

加速層優(yōu)勢

依托高帶寬、低時延優(yōu)勢，F(xiàn)PGA可組成網(wǎng)絡(luò)交換層與服務(wù)器軟件之間的數(shù)據(jù)中心加速層，并隨分布式加速器規(guī)模擴大實現(xiàn)性能超線性提升。數(shù)據(jù)中心加速層位于網(wǎng)絡(luò)交換層及傳統(tǒng)服務(wù)器軟件之間，負責為每臺服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)加速、存儲虛擬化加速支撐等

加速層性能提升原理

使用單塊FPGA時，單片硅片內(nèi)存不足以支撐全模型計算任務(wù)，需持續(xù)訪問DRAM以獲取權(quán)重，受制于DRAM性能。加速層通過數(shù)量眾多的FPGA支撐虛擬網(wǎng)絡(luò)模型單層或單層部分計算任務(wù)。該模式下，硅片內(nèi)存完整加載模型權(quán)重，可突破DRAM性能瓶頸，F(xiàn)PGA計算性能得到充分發(fā)揮。加速層需避免計算任務(wù)過度拆分而導致計算、通信失衡

嵌入式eFPGA技術(shù)

eFPGA技術(shù)在性能、成本、功耗、盈利能力等方面優(yōu)于傳統(tǒng)FPGA嵌入方案，可針對不同應(yīng)用場景、不同細分市場需求提供靈活解決方案。eFPGA技術(shù)通過設(shè)計復雜度提升伴隨設(shè)備成本下降激發(fā)市場對eFPGA技術(shù)的需求

eFPGA技術(shù)優(yōu)勢：

1. 更優(yōu)質(zhì)：eFPGA IP核及其他功能模塊的SoC設(shè)計相對傳統(tǒng)FPGA嵌入ASIC解決方案，在功耗、性能、體積、成本等方面表現(xiàn)更優(yōu)
2. 更方便：下游應(yīng)用市場需求更迭速度快，eFPGA可重新編程特性有助于設(shè)計工程師更新SoC，產(chǎn)品可更長久占有市場，利潤、收入、盈利能力同時大幅提升：一方面迅速更新升級以支持新接口標準，另一方面可快速接入新功能以應(yīng)對細分化市場需求
3. 更節(jié)能：SoC設(shè)計嵌入eFPGA技術(shù)可在提高總性能的同時降低總功耗。利用eFPGA技術(shù)可重新編程特性及配置，進而提高設(shè)計性能、降低功耗

FPGA優(yōu)缺點

FPGA的優(yōu)點：

(1) FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過合理組織，可實現(xiàn)乘法器、寄存器、地址發(fā)生器等硬件電路

(2) FPGA可通過使用框圖或者Verilog HDL來設(shè)計，從簡單的門電路到FIR或者FFT電路

(3) FPGA可無限地重新編程，加載一個新設(shè)計方案只需幾百毫秒，可以減少硬件的開銷

(4) FPGA的工作頻率由FPGA芯片以及設(shè)計決定，可以通過修改設(shè)計或者更換更快的芯片來達到某些苛刻的要求（當然，工作頻率也不是無限制的可以提高，而是受當前的IC工藝等因素制約）

FPGA的缺點：

(1) FPGA的所有功能均依靠硬件實現(xiàn)，無法實現(xiàn)分支條件跳轉(zhuǎn)等操作

(2) FPGA只能實現(xiàn)定點運算

FPGA市場表現(xiàn)

國際上

全球FPGA市場由四大巨頭Xilinx賽靈思，Intel英特爾（收購阿爾特拉）、Lattice萊迪思、Microsemi美高森美壟斷，四大廠商壟斷9,000余項專利技術(shù)，把握行業(yè)“制空權(quán)”

FPGA芯片行業(yè)形成以來，全球范圍約有超70家企業(yè)參與競爭，新創(chuàng)企業(yè)層出不窮，隨智能化市場需求變化演進，高度定制化芯片（SoC ASIC）因非重復投資、規(guī)模大、研發(fā)周期長等特點導致市場風險劇增。相對而言，F(xiàn)PGA在并行計算任務(wù)領(lǐng)域具備優(yōu)勢，在高性能、多通道領(lǐng)域可以代替部分ASIC。人工智能領(lǐng)域多通道計算任務(wù)需求推動FPGA技術(shù)向主流演進

在市場表現(xiàn)方面，F(xiàn)PGA技術(shù)在過去幾年中一直保持著穩(wěn)定的增長勢頭。根據(jù)市場研究公司的數(shù)據(jù)，全球FPGA市場規(guī)模預計將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)增長。這主要得益于FPGA在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和不斷增長的需求

國內(nèi)

中國FPGA芯片研發(fā)企業(yè)可以紫光同創(chuàng)、國微電子、成都華微電子、安路科技、智多晶、高云半導體、上海復旦微電子和京微齊力為例。從產(chǎn)品角度分析，中國FPGA硬件性能指標相較賽靈思、Intel等差距較大。紫光同創(chuàng)是當前中國市場唯一具備自主產(chǎn)權(quán)千萬門級高性能FPGA研發(fā)制造能力的企業(yè)。上海復旦微電子于2018年5月推出自主知識產(chǎn)權(quán)億門級FPGA產(chǎn)品。中國FPGA企業(yè)緊跟大廠步伐，布局人工智能、自動駕駛等市場，打造高、中、低端完整產(chǎn)品線

中國FPGA企業(yè)競爭突破口現(xiàn)階段中國FPGA廠商芯片設(shè)計軟件、應(yīng)用軟件不統(tǒng)一，易在客戶端造成資源浪費，頭部廠商可帶頭集中產(chǎn)業(yè)鏈資源，提高行業(yè)整體競爭力

對于國產(chǎn)FPGA廠商來說，目前不少優(yōu)秀國際人才的加盟給國產(chǎn)企業(yè)添加了新的活力。市場也給國產(chǎn)FPGA提供了千載難逢的機遇，國家政策在支持與傾斜，國內(nèi)整體集成電路發(fā)展水平也在提升，因此現(xiàn)在正是國產(chǎn)FPGA廠商發(fā)展的良好機遇。但國內(nèi)FPGA廠商也存在器件規(guī)模相對較小，軟硬件性能有一定差距，量產(chǎn)管理欠缺以及人才分散的問題

FPGA發(fā)展方向

人工智能、5G通信是未來FPGA應(yīng)用的重點領(lǐng)域，數(shù)據(jù)量大是二者的共同特點，因此需要傳輸速率更高的SerDes模塊來連接FPGA與外部通信。在5G時代，SerDes需要達到28Gbps甚至更高的32Gbps，才能滿足5G通信協(xié)議的“肚量”，而進入人工智能時代，大量的、重復的數(shù)據(jù)傳輸甚至將超出32Gbps的傳輸能力范圍，從而要求FPGA達到56Gbps甚至更高的傳輸速率

諸多應(yīng)用場景將要求FPGA將外部的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后進行處理，或者除了進行算法處理、扮演高速協(xié)處理器以外，還要同時執(zhí)行復雜控制的任務(wù)，這類新需求在未來人工智能、特種集成電路領(lǐng)域?qū)⒎浅Ｆ毡椤Ｒ虼?，采用CPU+FPGA+AI或者CPU+FPGA+GPU融合架構(gòu)的PSoC將成為重要的發(fā)展方向

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