2020年下半年全球半導體產業最主要的關鍵詞就是并購。

從2020年7月至今，已經宣布的幾起收購案總交易額已經達到1150億美金，從IC Insights統計的數據來看，目前為止已經超過了2015年的M&A交易額總量1077億美金。當然由于目前這5起巨量并購中的多數都還需要通過各國監管部門的審批，但“全家桶”式的多樣化組合、構建業界巨型生態的主流打法已現端倪。

并購1：2020年7月，美國模擬芯片巨頭亞諾德（ADI）斥資210億美元收購其競爭對手美國美信公司（Maxim）。

并購2：2020年9月，美國半導體廠商英偉達宣布以400億美元的價格收購ARM，后者為全球最大的半導體IP供應商。

并購3：2020年10月，韓國SK海力士宣布90億美元收購美國半導體廠商英特爾的NAND 閃存芯片業務。

并購4：2020年10月27日，美國半導體廠商AMD宣布以350億美元全股票收購美國半導體廠商賽靈思，后者為全球最大的FPGA獨立供應商。自此，Xilinx和Altera這對馳騁疆場、相愛相殺多年的FPGA雙雄，終被兩大CPU巨頭收入囊中。

并購5：2020年10月29日，美國半導體廠商Marvell宣布將以 100 億美元收購光通信及數據互聯領域的美國半導體企業Inphi。

本文與大家探討，當前全球已進入疫后新常態，面對未來風云詭譎的半導體市場，FPGA產業將面臨怎樣的新格局和新走向？

關于FPGA的來龍去脈

在所有的集成電路產品中，FPGA這種器件可謂骨骼輕奇。

FPGA的定義及物理結構

FPGA，全名現場可編程門陣列（FieldProgrammable Gate Array），基于可編程器件（PAL、GAL）發展而來，是半定制化、可編程的集成電路。1984年，賽靈思聯合創始人Ross Freeman發明FPGA集成電路結構。全球第一款商用FPGA芯片是賽靈思XC4000系列FPGA產品。

▲FPGA物理結構

FPGA芯片主要由三部分組成，分別為IOE（inputoutput element，輸入輸出單元）、LAB（logicarray block，邏輯陣列塊，賽靈思定義為可配置邏輯塊CLB）以及Interconnect（內部連接線）。

FPGA芯片按固定模式處理信號，可執行新型任務（計算任務、通信任務等，相對專用集成電路（如ASIC芯片）更具靈活性，相對傳統可編程器件可添加更大規模電路數量以實現多元功能。FPGA芯片在實時性（數據信號處理速度快）、靈活性等方面具備顯著優勢，在深度學習領域占據不可替代地位，同時具有開發難度高的特點。

FPGA有什么優點？

設計靈活：屬于硬件可重構的芯片結構，內部設置數量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發器。

兼容性強：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規模集成電路兼容，協同完成計算任務。

并行計算：FPGA內部結構可按數據包步驟多少搭建相應數量流水線，不同流水線處理不同數據包，實現流水線并行、數據并行功能。

適用性強：是專用電路中開發周期最短、應用風險最低的器件之一（部分客戶無需投資研發即可獲得適用FPGA芯片）。

地位提升：早期在部分應用場景是ASIC芯片的批量替代品，近期隨微軟等頭部互聯網企業數據中心規模擴大，FPGA芯片應用范圍擴大。

FPGA VS CPU、GPU和ASIC

CPU為通用型器件，FPGA架構相對CPU架構偏重計算效率，依托FPGA并行計算處理視 覺算法可大幅提升計算速率，降低時延。

▲FPGA與CPU相比計算速率更高

GPU作為圖形處理器件，計算峰值較高。在機器學習領域（多指令平行處理單一數據），FPGA相對GPU在靈活性、功耗方面更勝一籌。

ASIC芯片專用度高，開發流程非重復成本（流片）極高。5G商用普及初期，FPGA可依托靈活性搶占市場，但規模化量產場景下，ASIC芯片更具競爭優勢。

▲FPGAVS ASIC

FPGA技術解析

技術分類

FPGA廠商主要提供基于兩種技術類型的FPGA芯片：Flash技術類、SRAM技術類（StaticRandom-access Memory，靜態隨機存取存儲器）。兩類技術均可實現系統層面編程功能，具備較高計算性能，系統門陣列密度均可超過1兆。

▲FPGA的兩種技術類型

這兩種架構的核心區別在于：基于Flash的可編程器件具備非易失性特征，即電流關閉后，所存儲數據不消失。基于SRAM技術的FPGA芯片不具備非易失性特征，應用范圍更廣泛。

FPGA產品在各個市場取得成功的另一個驅動因素是FPGA技術的創新以及其在市場上的使用方式。嵌入式FPGA（eFPGA） IP是FPGA產品中的一個新亮點。在過去幾年中，eFPGA IP市場的增長率遠遠高于整個FPGA市場的增長率。更重要的是，諸如自動駕駛、智能存儲、嵌入式和邊緣智能應用等全新應用都開始利用eFPGA IP技術。

▲eFPGA解決方案架構

以Achronix的SpeedcoreeFPGA半導體知識產權（IP）為代表，eFPGA正在為智能設備帶來全新的成本結構。這使得采用FPGA邏輯陣列的系統級芯片（SoC）和專用芯片（ASIC）具有更高的成本效益、更高的數據帶寬以及面向未來的功能。

設計復雜度提升伴隨設備成本下降的經濟趨勢推動市場對eFPGA產生技術需求。

eFPGA的技術優勢包括：

更優質：eFPGA IP核及其他功能模塊的SoC設計相對傳統FPGA嵌入ASIC解決方案，在功耗、性能、體積、成本等方面表現更優。

更方便： 下游應用市場需求更迭速度快，eFPGA可重新編程特性有助于設計工程師更新SoC，產品可更長久占有市場，利潤、收入、盈利能力同時大幅提升。eFPGA方案下SoC可實現高效運行，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對細分化市場需求。

更節能：SoC設計嵌入eFPGA技術可在提高總性能的同時降低總功耗。利用eFPGA技術可重新編程特性，工程師可基于硬件，針對特定問題對解決方案進行重新配置，進而提高設計性能、降低功耗。

應用分析

? 計算任務

FPGA可用于處理多元計算密集型任務，依托流水線并行結構體系，FPGA相對GPU、CPU在計算結果返回時延方面具備技術優勢。矩陣運算、機器視覺、圖像處理、搜索引擎排序、非對稱加密等類型的運算都屬于計算密集型任務。這些運算任務可由CPU卸載至FPGA執行。

▲CPU、GPU、FPGA、ASIC應用于

計算密集型任務數量級比較

? 通信任務

FPGA用于處理通信密集型任務不受網卡限制，在數據包吞吐量、時延方面表現優于CPU，時延穩定性較強。對稱加密、防火墻、網絡虛擬化等運算都屬于通信密集型計算任務，相對計算密集數據處理復雜度較低，易受通信硬件設備限制。

▲CPU、GPU、FPGA、交換機應用于

計算密集型任務時延穩定性

? 部署方式

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，服務器溝通效率、故障傳導效應表現各異。

共享部署：分享服務器網絡部署模式下，FPGA加速器有助于降低數據傳輸時延，維護數據中心時延穩定，顯著提升虛擬機網絡性能。

加速層：依托高帶寬、低時延優勢，FPGA可組成網絡交換層與服務器軟件之間的數據中心加速層，并隨分布式加速器規模擴大實現性能超線性提升。

云計算：FPGA技術無需依靠指令、無需共享內存，在云計算網絡互連系統中提供低延遲流式通信功能，可廣泛滿足虛擬機之間、進程之間加速需求。

FPGA的市場格局

全球FPGA市場早期由美國兩大巨頭（賽靈思、Altera） 高度壟斷，經市場一系列并購行為及初創團隊影響，國際市場第一梯隊陣營擴容（包括賽靈思、Intel、Lattice、Microsemi、Achronix、Flexlogic、Quicklogic等）。

▲2018年全球FPGA芯片市場份額

兩家FPGA領導廠商相繼被CPU巨頭收購，表明了FPGA技術作為數據加速引擎的重要性，以及其在現代系統中所提供的高價值。業界意識到基于CPU的系統需要更高的性能，而FPGA正是加速這些應用的理想解決方案。

在當今的智能時代， FPGA產品比中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、專用集成電路（ASIC）以及其他任何的硬件加速技術都有更多的機會。由于FPGA產品具有可編程性、并行處理功能和高能效的特點，所以非常適用于嵌入式應用、邊緣計算、云/數據中心、5G、汽車、高性能計算等眾多應用市場。

? 5G通信體系建設提高FPGA芯片需求

通信場景是FPGA芯片在產業鏈下游應用最廣泛的場景（占比約40%），隨5G通信技術發展、硬件設備升級（基站天線收發器創新），FPGA面臨強勁市場需求驅動。5G通信規模化商用在即，推動FPGA芯片用量提升、價格提升空間釋放。

? 自動駕駛規模化商用提升量產需求

自動駕駛領域ADAS系統、傳感器系統、車內通信系統、娛樂信息系統等板塊對FPGA芯片產生增量需求，全球頭部FPGA廠商都在積極布局自動駕駛賽道。

基于FPGA的自動泊車系統

廣泛應用于機器學習強化項目 醫學診斷、工業視覺等領域對機器學習需求增強，且面臨神經網絡演化帶來的挑戰。相對CPU、GPU，FPGA技術更適應非固定、非標準設計平臺，與機器學習融合度更深。

▲FPGA應用于機器學習

中國FPGA產業的發展機遇與挑戰

亞太地區市場是FPGA的主要應用市場，占全球市場份額超過40%。截至2018年底，中國FPGA市場規模接近140億元。5G、人工智能、物聯網技術發展推動中國FPGA市場擴張，刺激增量需求釋放。預計2023年，中國FPGA芯片市場規模將接近460億元。

▲中國FPGA芯片市場規模

當前，全球FPGA芯片市場競爭高度集中，頭部廠商占領“制空權”。中國FPGA芯片行業發展起步較晚，呈現藍海市場特征，本土企業主攻中低密度市場，在高端“億門陣列” 級細分市場尚不具備與國際頭部廠商分庭抗禮的實力。受制造能力、封測工藝、 IP資源等因素影響，中國FPGA芯片企業技術創新實力亟待提升。

FPGA設計人才實力匱乏 中國FPGA領域人才儲備約為美國相應人才儲備1/10 。根據中國國際人才交流基金會等機構發布的《中國集成電路產業人才白皮書》顯示，截至2018年底，中國集成電路產業存量人才約40萬人，該產業人才需求約于2020年突破70萬人，存在約30萬人以上人才缺口。在FPGA板塊，美國頭部廠商Intel、賽靈思、Lattice等及高校和研究機構相關人才近萬人。中國FPGA頭部廠商如紫光同創、高云半導體、安路科技等研發人員儲備平均不足200人，產業整體人才團隊不足千人。

行業發展起步晚，產學研聯動缺失 中國FPGA行業于2000年起步，美國則具備自20世紀80年代研發起步的背景。2010年，中國FPGA芯片實現量產。美國高校與芯片廠商聯動緊 密，將大量技術輸送給企業，相較而言，中國企業缺乏與高校等研究機構合作經驗，產學研聯動不足，行業現有核心人才多從海外引進。

研發實力匱乏制約企業成長 FPGA行業進入門檻高，中國頭部企業較難取得后發優勢。現階段，賽靈思已進入7納米工藝億門級高端FPGA產品研發階段，中國頭部廠商如紫光同創、高云半導體等啟動 28納米工藝千萬門級（7，000萬）中高密度FPGA研發工作，與全球頂尖水平相差約2代至3代，亟需人才資源支持。

在國家自主可控、自主創新的政策推動下，為進一步引導FPGA行業積極發展，國家政策部門整合行業、市場、用戶資源，為中國集成電路企業向國際第一梯隊目標發展打造政策基礎，從市場需求、供給、產業鏈結構、價值鏈等層面出發，出臺多項利好政策，為FPGA產業發展營造良好的發展環境。

以美國Achronix公司為代表的FPGA產業初創企業的發展歷史講訴了如何實現FPGA創新和市場領先的成功故事。Achronix相繼推出了eFPGA IP、2D NoC等創新技術理念，歷時15年的發展，終能和兩大FPGA巨頭一較高下，這其中的經驗和思路值得國產FPGA公司借鑒。道阻且長，中國FPGA產業仍須努力！

審核編輯 ：李倩