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FPGA（可編程邏輯門陣列）又稱“萬能芯片”，美國禁運(yùn)后，作為最“卡脖子”的芯片之一而家喻戶曉。雖然全球市場規(guī)模只有80億美元，F(xiàn)PGA這個(gè)不大不小的市場卻撐起了龍頭賽靈思近500億美元的市值（英特爾平均市值在2000億美元上下，所在市場規(guī)模是FPGA的10倍）。目前，全球90%的市場份額由美國FPGA廠商壟斷，國產(chǎn)替代必要性不言而明。美國禁運(yùn)后，國產(chǎn)FPGA廠商迎來發(fā)展的歷史性機(jī)遇。FPGA究竟有什么價(jià)值？什么在驅(qū)動(dòng)它的未來的成長？龍頭為什么能有這么高的市場份額？護(hù)城河在哪里？本土廠商又要如何培育自己的競爭優(yōu)勢？針對這些問題，我們復(fù)盤了FPGA三大廠商：賽靈思、Altera和Lattice的發(fā)展歷程，總結(jié)出了核心規(guī)律，并在FPGA五問五答系列報(bào)告中逐一為投資者解答。
　　作為我們FPGA五問五答第一篇，在這篇報(bào)告中，我們首先回答一個(gè)最關(guān)鍵的問題——FPGA提供了什么價(jià)值？
　　為了回答這個(gè)問題，我們仔細(xì)研究了FPGA和其他處理器的架構(gòu)演變和歷史，回答如下：FPGA無可比擬的靈活性，以及確定性的低時(shí)延優(yōu)勢，是FPGA難以被替代的原因，也是FPGA為客戶提供的獨(dú)一無二的價(jià)值。
　　FPGA是什么？在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的位置？芯片分為模擬芯片和數(shù)字芯片，數(shù)字芯片負(fù)責(zé)處理數(shù)字信號(hào)，分為處理器、邏輯、存儲(chǔ)三大類。FPGA是可編程的邏輯芯片，和其它邏輯芯片的不同之處在于，用戶可以隨時(shí)定義其硬件功能。雖然FPGA市場僅占邏輯芯片的5%，市場規(guī)模僅有微處理器的大約十分之一，但在許多領(lǐng)域是不可或缺的。
　　FPGA為什么在歷史上脫穎而出？PLD誕生的動(dòng)因來自于ASIC和ASSP的不足，通過可編程來滿足降低芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的需求。FPGA并不是第一個(gè)被創(chuàng)造出來的可編程邏輯器件，但由于FPGA的架構(gòu)彌補(bǔ)了PLD和ASIC/ASSP的缺環(huán)，能夠滿足下游不斷增長的容量和速度的需求，在發(fā)明后的10年開始飛速替代SPLD和CPLD，成為獨(dú)占鰲頭的可編程邏輯器件。
　　FPGA如何做到“萬能”？數(shù)字電路有兩大類：組合電路和時(shí)序電路，時(shí)序電路即“組合電路+存儲(chǔ)”。所有組合電路都有對應(yīng)的真值表，F(xiàn)PGA的可編程邏輯塊中的LUT，本質(zhì)上是一個(gè)對應(yīng)真值表輸出的查找表，可以完成任意組合電路的功能。通過改變LUT4里面的16位掩碼，就能靈活地對應(yīng)不同的組合電路，再結(jié)合寄存器等存儲(chǔ)單元，可以完成時(shí)序電路的功能，從而實(shí)現(xiàn)任意電路的“可編程”。
　　FPGA獨(dú)一無二的價(jià)值在哪里？1）靈活性高，適合高速迭代的場景（能“經(jīng)常改”）：FPGA可以實(shí)現(xiàn)任何電路功能，其耗時(shí)甚至不超過一秒，修改不限次數(shù)，這一特性尤其適合以下4種場景：標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議/算法經(jīng)常更改的行業(yè)，快速迭代、成本敏感的行業(yè)，小批量的行業(yè)，以及反復(fù)修改驗(yàn)證的設(shè)計(jì)；2）并行性好，適合要求低時(shí)延和大量并行計(jì)算的場景（“算得快”）：FPGA內(nèi)部數(shù)十萬個(gè)CLB可以同時(shí)獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的并行計(jì)算耗時(shí)極短，由于不存在線程或者資源沖突的問題，F(xiàn)PGA的時(shí)延是確定的低時(shí)延，特別適合低時(shí)延的場景。
　　什么是“好”的FPGA？一般來說，F(xiàn)PGA的制程越先進(jìn)、邏輯單元數(shù)越多、固化功能越復(fù)雜，能構(gòu)造的電路就越大型、越復(fù)雜，F(xiàn)PGA越“好”。盡管如此，一塊“好”的FPGA并不一定是能力上的最優(yōu)，而是最貼近使用者的需求，因此，龍頭對市場做了非常高的細(xì)分。以龍頭賽靈思為例，其擁有高端的Virtex，性價(jià)比的Kintex，低容量的Spartan，超低功耗的CoolRunner，再加上溫度、速度等級(jí)等的的區(qū)別，僅7系產(chǎn)品就有高達(dá)1000+的料號(hào)，產(chǎn)品矩陣非常完備。
　　特別地，我們回答了市場對于宇航級(jí)FPGA的疑惑：
　　在卡門線以上（海拔高度100km）運(yùn)行的電子系統(tǒng)需要使用宇航級(jí)FPGA，由于外太空的航天器接受的輻射量是地面的百倍甚至千倍以上，嚴(yán)重的可致器件損壞，導(dǎo)致在軌任務(wù)的失敗，航天器需要具備電路級(jí)的抗輻射能力。FPGA的抗輻射能力和航行高度掛鉤：在LEO高度，使用耐輻射（Radiation Tolerent）FPGA即可；進(jìn)入MEO或者GEO高度，需要使用輻射加固（Radiation Hardened）FPGA。宇航級(jí)FPGA主要考慮對總劑量效應(yīng)和單粒子事件的防護(hù)能力，具體指標(biāo)有TID耐性、SEL閾值、SEFI發(fā)生率和SEU發(fā)生率。宇航級(jí)FPGA需要額外使用許多技術(shù)，制造的成本高，做到輻射加固級(jí)更是需要從設(shè)計(jì)到制造封測的一系列流程改變，因此價(jià)格通常非常昂貴，目前，全球有能力提供宇航級(jí)FPGA公司屈指可數(shù)。過去，星載FPGA處理能力落后于商業(yè)級(jí)10-15年，現(xiàn)在已經(jīng)和商業(yè)級(jí)接近，背后是不斷增長的提升衛(wèi)星處理能力的需求。
　　為什么FPGA這么難？我們認(rèn)為，一是產(chǎn)品定義上，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)者必須平衡市場上各個(gè)需求，難度在于如何平衡可編程功能和固化功能，需要對客戶需求有非常好的了解。我們回顧了Altera歷史上在Excalibur的失敗，說明了產(chǎn)品定義和需求匹配的重要性。二是從技術(shù)上，體現(xiàn)在FPGA必須跟上最新的制程。制程領(lǐng)先是FPGA市場份額最直接的決定因素。從Altera在40nm對賽靈思的趕超，可以看出制程領(lǐng)先對FPGA的重要性。FPGA設(shè)計(jì)不是簡單地堆疊邏輯單元，如何排布邏輯單元和各固化單元，來平衡