从云端到边缘 AI推动FPGA应用拓展
近日，全球最大的FPGA厂商赛灵思宣布收购深鉴科技的消息，引发人工智能芯片行业热议，这也是首起中国AI芯片公司被收购的案例。值得注意的是，收购深鉴科技的赛灵思在2018年下半年重点发展方面是汽车自动驾驶。
FPGA市场的竞争正在发生变化，其中最引人瞩目的趋势就是应用领域不断拓宽。传统上，FPGA的应用很大程度受到通信市场主导，但随着人工智能、大数据、云计算、智能汽车以及物联网边缘计算的发展，对FPGA的需求大增，FPGA的市场格局正在发生转变。同时，这也为苦苦寻求突破口的中国FPGA厂商提供了一个难得的发展机会。在近日召开的“第六届（2018）中国FPGA产业发展论坛”上，中国半导体行业协会常务副秘书长宫承和指出，当前FPGA领域存在着行业集中度高，后发者进入困难等问题。我国正在推进制造强国和网络强国的建设，如何发展自主可控的FPGA产业，是留给半导体行业从业者必须面对和思考解决的问题。
从云端到边缘 AI推动FPGA应用拓展
近年来FPGA最引人关注的变化趋势之一就是应用领域不断拓展。通信、工控等是FPGA传统的应用市场，然而近年来随着云计算、大数据、人工智能、物联网等的发展，FPGA开始向新领域扩展。
微软亚洲研究院异构计算组副研究员张宸指出：“这些年人工智能的崛起，依靠的是深度神经网络算法大型多层的网络模型，典型的有循环神经网络和卷积神经网络为代表。这样的模型一次推断（inference）通常需要数十亿甚至上百亿次的运算，而在线的服务系统的响应时间在毫秒量级。这就意味着每秒上万亿次（TFLOPS）甚至百万亿次的运算性能，同时对器件的体积、功耗还有一定的约束。这使得我们期待数据中心的高性能计算硬件应当具备如下优势：低延迟，低开销和规模化。在数据中心，FPGA 相比 GPU 的核心优势在于低延迟，使用 FPGA 来加速的话，只需要微秒级的 PCIe 延迟（微软现在的 FPGA 是作为一块 PCIe 加速卡），对通信密集型任务，FPGA 相比 CPU、GPU 的优势就更大了。”时至今日，微软已经在数十万台云服务器上部署了 FPGA 。微软目前也是在数据中心的 FPGA 应用上投入最大的互联网公司。
快速兴起的网络边缘计算对于FPGA的应用需求也在增加。莱迪思半导体亚太区资深事业发展经理陈英仁表示：“受延迟、隐私和带宽限制的驱动，FPGA正在被越来越多布署于物联网系统设备当中，超低功耗灵活推理的需求亟待满足。”Semico Research市场研究公司的数据显示，使用人工智能的网络边缘设备数量将以110％的复合年增长率爆发式增长。
高云半导体市场副总裁黄俊将新兴市场划分为三个部分：首先在以消费电子为代表的智能终端设备中，接口越来越丰富，同时又需要保持小体积和低功耗，这就要求底层器件可以更灵活地支持接口转换与胶合逻辑，使得低密度FPGA有了更多用武之地。其次，越来越多的AI运算开始在边缘计算领域执行，比如音视频的采集和预处理，它们需要支持简单或中等复杂度的算法和IP，这又给了中低密度FPGA 以机会。最后，云端需要支持高速SerDes，高速FPGA正在成为必需。
概括而言，人工智能、大数据、云计算、ADAS、物联网、机器人、可穿戴设备，5G通信设备、网络交换、工业控制、金融设备、安防监控、视频驱动、医疗仪器、汽车电子、家用电器、信息安全等都将是未来FPGA的重要应用市场。2017年全球FPGA规模市场约为50亿美元。而日前高盛发布的报告中，预测未来5年FPGA市场规模将达到100亿美元，到2025年将增长到120亿美元。
从技术到品牌 国产FPGA追赶空间巨大
FPGA一直是个高度垄断的行业，赛灵思、英特尔（Altera）、微芯（Microsemi）和莱迪思几家美国企业垄断了全球绝大部分市场。尽管理论上新兴市场的出现，给新进入者带来更多发展机会，但是在实际操作过程中面临的挑战依旧很大。
“有些新兴市场可望未必可及，特别是对于高密度、高性能的FPGA而言，不仅硬件设计难度大，中国企业在硬核IP资源上也存在滞后，软核IP储备欠缺，软件性能与国外厂家差距也很大。”黄俊指出。
京微齐力CEO王海力也认为，从产品本身的水准来看，中国企业想要发展起来还有很长的路要走。“五年的时间算少，多的可能需要8到10年。”王海力说。
除了技术上的差距之外，品牌认知上的差距也非常明显。“中兴事件只是在大环境上给了国内公司一些触动，使它们认识到供应链管控的重要性。可是落实到具体产品中的时候，国内供应商遇到的困难还是很多，客户对于国内企业的品牌认可度不高，担心是否可以持续供货等，甚至对于产品设计工具的学习都有一个过程。方方面面加起来，发展国产FPGA，觉得压力还是非常大的。”黄俊表示。
从差异化竞争到自主可控 FPGA 3.0时代需要长期努力
那么如何才能实现国产FPGA的突破呢？黄俊认为，差异化是中国FPGA企业的必走之路。“国内厂商应该根据芯片本身的特点以及行业进入的难度出发，从小处着眼，从低密度FPGA产品开始突破，逐渐向中高密度FPGA发展。总之，我们不能简单复制国外产品，而要仔细研究细分市场，新产品有什么特殊的需要，然后对我们产品局部特性进行优化，以适应用户需求。比如现在很多智能设备的视频采集都会要求有高速接口，我们就在芯片上把高速MIPI做好，相比其他产品在同等密度下速度更快，同时我们也会做更多类似的参考设计，使应用更加便捷。这些都是差异化的例子。”黄俊说。
建立自主的产业生态也非常重要。王海力指出：“国外公司的专利技术中50%以上是保护核心架构的专利。中国企业在发展过程中也应重视，用户易用、友好、支持面向应用软IP库以及成熟的EDA工具性能，是产品落地的重要一环。”
无论是差异化的市场策略，还是产业生态体系的建立，都是中国FPGA发展过程中的必修课。而只有逐步建立起自主可控+自主创新FPGA产品体系，首先体现在具备自主研发可编程逻辑器件核心架构的能力上，其次体现在具备自主研发FPGA器件配套软件工具的能力上，中国FPGA才算真正立足。这是中国FPGA发展的关键。
根据王海力的观点，中国FPGA产业大致可以划分为四个阶段：从上世纪90年代到2005年，可以算做中国FPGA的Pre-1.0时代。那时的中国FPGA产业刚刚起步，只能以反向设计为主，芯片设计/软件开发人员只有百余人，没有自己的架构，工艺落后，没有软件工具和应用开发人才，只能逐步探索前进。经过从无到有的积累，2006年到2016年中国FPGA产业进入1.0时代。中国FPGA拥有几百人的芯片设计/软件开发队伍，有了自己的架构雏形，使用一般的工艺，拥用基础的软件工具和基础的应用软IP，有能力进行正向设计，开始培养国产FPGA的应用人才。
而现在正处于中国FPGA发展2.0时代，大约会是2017年到2025年。这一个从有到好的发展时期。中国FPGA产业已经拥有上千名的芯片设计/软件开发人员。经过努力将有可能形成完备的架构设计，拥有采用先进工艺的能力，好用的软件工具，具备一部分行业软IP及解决方案，形成完备的正向设计，开始逐渐建立FPGA应用生态圈，并形成上千人的国产FPGA开发的应用人才队伍。
至于3.0时代（2026年2035年）将是中国FPGA从好到强的发展阶段：形成数千人的芯片设计/软件开发人员队伍，采用创新架构设计和最先进制造工艺，具有领先的软件工具，完备的行业软IP及解决方案，形成相对完整的FPGA应用生态圈，国产FPGA开发的应用人才达到数万人。
希望中国FPGA产业能够早日实现腾飞。
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作者：杭州卿萃科技ALIFPGA
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