在上篇中，我們介紹了FPGA的前面兩個特點：硬件可編程、并行與實時，也列舉了這兩個特點帶來的諸多機會。在本文中，我們將繼續介紹另外兩個特點，以集齊FPGA的四大特點和生存機會。

FPGA四大特點與生存機會（續）

特點三：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，高速串行收發器XCVR或叫Serdes，PCIe和以太網硬核，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。據不完全估計，賽靈思有接近一半銷售額來自ZYNQ和ZYNQ Ultrascale系列。甚至7納米的產品系列，全部都集成了ARM處理器，你不用都會覺得浪費。

「ZYNQ內部結構中的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。

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

隨著集成度一路走高，也給FPGA帶來了大量機會。

通用SOM核心板

當FPGA SOC出現以后，有一種用法是把它做成SOM，即核心板，就像x86嵌入式應用中的COMe那樣。通用核心板不分具體應用，可以根據客戶的應用自由定義，在工業，醫療，儀器儀表等領域應用廣泛。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」

機器人，運動控制，PLC

FPGASOC結合了ARM處理器與FPGA邏輯單元，這種架構讓工業控制應用能夠在硬件和軟件之間實現高速高效協同工作。CPU可以運行PLC控制算法、機器人路徑規劃、運動控制算法等復雜的高層軟件任務。FPGA部分用于實現硬實時、低延遲的控制任務，如信號采集、傳感器數據處理、PWM信號生成、運動軌跡控制等。FPGA的并行處理能力使得這些控制任務能夠在硬件層面高效達成。

由于FPGASOC的高集成度，實時性，靈活可定制，在運動控制和伺服驅動領域，搶掉了很多傳統工業處理器和DSP處理器的市場，在工業打印機，3D打印機，血液生化分析儀，ATM存取款機等機電一體的設備中都有合適的應用場景。

「協作機器人」

醫療內窺鏡，手術機器人

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

手術機器人基本上就是內窺鏡加精密機械臂控制，而據說手術機器人機械臂上面的馬達非常精密，與工業機器人完全不是一個量級。目前這部分依賴進口，以后或許可以國產替代。

車載激光雷達，毫米波雷達

最近幾年興起的車載激光雷達和毫米波雷達，由于體積受限，對系統集成度要求很高。舉例來說，FPGA SOC在車載毫米波雷達中主要承擔數字信號處理與系統控制的核心角色。PL部分負責TDC延時鏈生成，處理雷達信號，執行快速傅里葉變換（FFT）、距離/速度解算等任務。PS部分負責系統管理、數據融合、通信與決策。ASIL C/D級別功能安全（FuSa）需要PL和PS協同工作，相互監控。最后生成4D點云（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」

KVM坐席管理系統

大型指揮調度場所的坐席管理是一個有趣的市場。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，對延時和畫質要求不高，這種應用基本沒有FPGA啥事。而高端應用，延時敏感，畫質要求高的場景，就有FPGA用武之地了。FPGA SOC主打低延時高品質，首先自己內嵌的H.264/265 Codec要夠好延時夠低，至少要支持42，可以做高質量視頻深壓縮，也可以做預覽流，其次用邏輯部分做出淺壓縮（比如JPEG2000, JPEG XS），實現雙流。賽靈思ZUxEV推出時，也沒具體針對KVM應用，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就是另一個故事了。通常光纖KVM不采用視頻壓縮，用FPGA多通道Serdes實現大帶寬暴力傳輸，保證極低延時和無損畫質。

「KVM坐席管理系統」

專業相機和編解碼器

在PTZ專業相機和視頻編碼器市場，與KVM的需求有點類似。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部分實現，H.264/265用Codec硬核搞定。

5G基站RRU

賽靈思的RFSOC DFE將數字前端（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的設計，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

大家都知道現在的GPU都集成了HBM（高帶寬內存），有的FPGA內部也集成了HBM。FPGA可以通過大量的并行處理單元同時執行多個哈希計算任務，結合HBM時，可以更有效地利用內存帶寬，進行更高效的數據訪問和處理，非常適合數字貨幣挖礦。在超高端儀表和路由器的場景，在外掛DDR已經不可行的情況下，帶HBM的FPGA也非常適用。同樣在廣播里面的安全播控應用中，FPGA中HBM的大帶寬的存儲，可以用來實時存儲并過濾掉敏感內容。

「HBM與處理器合封」

ACAP有什么用

當FPGA集成了標量處理器，如ARM，又集成了矢量處理器，如AIE或NPU，傳統的FPGA邏輯部分稱為自適應處理器，這種異構計算平臺還能叫FPGA嗎？賽靈思把它叫作ACAP，即“自適應計算加速平臺”，但這個稱謂并不主流。

一個典型的異構計算平臺，不能沒有矢量處理器，用來做矩陣運算或AI推理加速。典型的應用場景是汽車自動駕駛，ACAP可以做自動駕駛域的主芯片。在醫療內窺鏡中，NPU可以實時做圖像增強等輕量化的AI加速應用，也可以用于增強現實（AR）與虛擬現實（VR）。內窺鏡圖像可以與增強現實技術結合，實現精確的虛擬影像疊加。而在智能監控和智能制造領域，ACAP也都可以找到合適的應用。

特點四：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的重要優勢。

二十多年前，Lattice收購的Lucent ORCA是業界第一個帶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間。不過真的是太難用了，否則就會被用在新產品上。這說明一個新的接口對FPGA的選用是很關鍵的，會先入為主帶來新的機會。現今的應用，只有Serdes當然是遠遠不夠的，因為很少會用私有協議跑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。讓我們從這幾個角度，來審視一下FPGA的機會。

視頻接口與接口轉換

FPGA其中一個重要應用就是各種五花八門的接口轉換。這里的生存法則很簡單：誰有硬件，誰有IP，誰性價比高，誰就有市場。

當年Lattice 帶3G Serdes的FPGA性價比最高，在視頻接口市場做得風生水起，占據了大部分1080p(Full HD)及以下的市場。而等視頻到了4K時代，Serdes速度需求提升至 6G以上甚至12G，由于研發進度沒跟上，逐漸丟失了部分市場。反而賽靈思由于Serdes速度更高更穩定以及對12G SDI, HDMI2.0的接口和IP支持，贏得了相當一部分市場。

再比如Lattice就有個系列叫Crosslink，定義為專門的“視頻連接FPGA”，主要特點是硬化了MIPI DPHY，PCIe，USB等接口，用戶可以方便的實現視頻互連和轉接，市場接受度也不錯。最近也有FPGA廠家推出了硬化MIPI CPHY的產品，CPHY是三電平電路，實現難度比DPHY要大，率先支持CPHY也一定會搶得先機，在視頻轉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據傳輸，單Lane可達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，特別是在半導體測試、電子設備性能驗證等場合。對FPGA來說，就是需要大帶寬，數據要“收得到，存的下，送得出”。不管是接收端，存儲端（DDR或HBM），還是發送端，都需要大帶寬。數據經過采集，存儲，預處理，通常需要高帶寬的PCIe接口把測試數據上傳，送回x86或GPU做進一步處理，因此支持新的PCIe Gen4/5接口就有天然的優勢。

在攝像頭模組和屏測試應用中，支持MIPI CSI/DSI DPHY/CPHY標準是必需的，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，且數量多多益善。100/400/800G以太網測試儀，也需要相應的接口IP支持。

隨著帶寬需求不斷增長，新的接口標準也不停的更新，高端市場拼的就是硬實力了。比如，在高速ADC/DAC接口處，JESD204B單Lane帶寬為12.5Gbps，而JESD204C單Lane達到32Gbps，誰的Serdes能穩定的接上，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，單Lane帶寬可達56Gbps。在高端數據中心，光通信，無線通信，800G網絡測試儀中也有相當多的應用。

「NRZ和PAM4的眼圖示意」

小結

我們在上篇和中篇主要介紹了FPGA的四大特點以及這些特點帶來的主要市場機會。有了這些機會以后，FPGA就可以高枕無憂了嗎？事實并非如此。商場如戰場，陣地絕非一成不變，此消彼長時時刻刻都在發生。

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…

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