国产FPGA：沉淀、破局、向上生长 ——易灵思亮相2023年首届上海国际嵌入式展

FPGA被誉为万能芯片，在制造出来之后，设计者仍可在其上构建自定义的电路结构，并且可以重复进行现场编程。

自1985年赛灵思发明FPGA被发明以来，其核心专利一直被头部国外厂商所掌握。但国产厂商一直从未放弃在FPGA领域的努力，从早期的逆向工程，到现在的自主可控，国产FPGA已经走出了一条道路。

在首届上海国际嵌入式展上，易灵思作为国产FPGA厂商受邀参展。我们也有幸采访到了易灵思的市场总监杜宁先生，就国产FPGA的现状和未来进行了深入的探讨。

【一 · 沉淀】底层架构开始创新

“量子你在不观察的时候，你是不知道它是1还是0对吧？只有当你观测它你才知道它的状态。易灵思FPGA的Quantum（量子）架构也是一样道理。”

国产FPGA要做好，最关键的一点首先就是要有无风险的底层专利技术，而这也正是易灵思最具特色的一点，在于其采用了一种和传统FPGA不同的架构——即Quantum架构（量子架构），并在多年的沉淀之后，实现了国产自主的专利产品。

可逻辑可布线的基本XLR单元

“像Xilinx、ALtera等的传统IP架构的布局，它的逻辑和不限基本上是相对固定的，你可以理解为就像城市里面的道路和楼房一样，道路跟楼房这都是固定的，你不能说拆就拆，对吧？因为拆起来很麻烦。”杜宁解释到。“但我们这个Quantum架构是完全不同的，为什么叫Quantum（量子）架构呢？量子在你不观察的时候，你是不知道它是1还是0对吧？只有当你观测它你才知道它的状态。量子架构也是一样道理。”

Quantum架构最底层的基本单元叫做“XLR”，即“eXchangeable Logic and Routing Cell”。该架构最大的优势在于逻辑跟布线资源是可以互换的，并不是绝对固定的。

当开发者买回这个FPGA不用的时候，并不知道哪些块用于布线，哪些块用于逻辑。只有当用户真正去编译、去部署的时候，软件就会告诉用户哪些变成走线了，哪些用于逻辑实现；所以这就是Quantum架构跟传统IP架构完全不一样的地方。

第一家将RISC-V IP放在FPGA中并实现商用

除了Quantum架构外，易灵思的产品另一大特色在于全部都支持RISC-V的IP。虽然这个IP来自一个开源项目，但易灵思在其之上进行了数次迭代，进行了相关的配置开发和软件支持。“选RISC-V对我们来讲，这是一个战略意义的决策，我们应该是全世界第一家把RISC-V放在FPGA里，并且可以商用的FPGA公司。”杜宁分享到。

与Zynq7000、MPSoC等内置Arm硬核的产品不同，易灵思中的RISC-V核是一个软核，以IP的方式存在。因此只有在用户需要的时候可以自由选择调用，不需要的时候仍是可以任意配置的逻辑块。选择RISC-V IP和Quantum结合，可以说是非常妙的搭配，即保留了Quantum的高度灵活优势，又为需要CPU的开发者提供了快速配置的功能。

据悉，该RISC-V的内核来自GITHUB上的一个开源项目，易灵思从2018年开始引入，并且多年来历经了数次迭代。从最初的性能一般的小核，到现在已经可以做到300MHz、400MHz甚至更高。而且用户在这个内核上可以进行非常多自定义外设的配置，增加客户自己想要的指令，包括1核、2核、4核都可以进行配置。

要让用户用的好，不能只是放一个CPU IP在里面就可以了，在开发软件支持方面也要下功夫，易灵思把RISC-V的编译功能也集成到了自己的软件里面。对用户而言就像个黑盒子一样，在易灵思的开发软件上既可以做FPGA的设计，也可以做RISC-V的设计，就无须像之前一样再额外下载一个Eclipse等软件。

软件不是简单的代码学工程学

既然提到FPGA，就不得不说开发软件。当决定做FPGA的时候，软件就是最重要的一个部分，因为没有软件客户肯定是在其上无法进行现场逻辑编程的。

对于部分国内厂商而言，在软件上的策略是选择做的和Xilinx、Altera这种头部厂商的软件做的更像一些，这是因为使用软件的开发者们，其实非常看重使用习惯。在使用了多年的Xilinx、Altera这类的开发软件之后，已经形成了一种习惯。这对于选择了像传统FPGA架构的部分国内厂商而言，选择做相似使用体验的开发软件是对的。但对于易灵思而言，这并不是一个好的策略。

因为易灵思采用了接口和逻辑分离设计的架构，这种完全不同的架构也就意味着其开发软件的设计不过不能和Xilinx、Altera的开发软件相似，而是需要配合和沿用自身架构的开发特色。

“软件是一个非常需要靠时间积累和应用经验的一个工程，它是个工程学，并不是单单的代码累加。”杜宁坦言到。“Xilinx做软件做了40年，我们不可能仅用10年时间就超过它。但我们还是会坚持基于Quantum架构特色，来做自己特色的软件迭代、积累，不断地优化来提升客户的体验。”

【二 · 破局】从嵌入式机器视觉切入市场

易灵思FPGA依托低功耗、小体积、高性价比特性，配合MIPI,DDR等硬核接口，在机器视觉领域中取得先机，而在低功耗红外市场领域，易灵思FPGA在主流设备中的占比超过80%。

FPGA的传统强势应用在通信、数据中心、视频处理及显示、工业安防等应用领域，其中视觉市场虽然在FPGA的传统应用中体量不算很大，但有着很高的增速。来自市场调研数据显示，年增长速率可以保持20%以上。

增长的动力一方面来自基建完善，包括像中国、东南亚等全球安防基础设施的大力铺设，交通安防和“天网”等对于机器视觉需求也越来越高；另一方面来自工业发展，像现在很多二三线的工厂厂房，也要配置视觉监控或产线监控，工业相机的体量越来越大。这都为FPGA在视觉领域的发展带来了非常大的契机，整个视觉市场的体量，包括FPGA在其中的需求，都会快速增长。

而易灵思也是瞄准了这一机遇，结合了自身产品低功耗高算力的优势，率先进入并在国内嵌入式机器视觉领域占据了领先的市场地位。

虽然固有认知是传统FPGA的功耗很难控制，并不容易部署在端侧设备中，但现在通过“半ASIC+半FPGA”这种产品形态的FPGA产品，已经能够在先进的工艺节点上实现媲美全ASIC的产品。据杜宁介绍，目前易灵思的钛金系列FPGA产品，已经有客户使用在与手机相连的这种视觉设备里面，这足以证明其功耗是非常低的。易灵思一个“16nm工艺、60k逻辑、16nm工艺，5.5×5.5毫米大小”的芯片在客户产品中实际跑出来的功耗水平十分惊人，甚至比一些ASIC都要低。

钛金系列FPGA产品在嵌入式视觉应用中，能够做到如此低功耗的原因在于几点。一是Quantum架构天然的优势，无论是动态还是静态功耗，都可以做到很低。二是将一些重要的关键接口，实现了硬化，已经做成了ASIC。在FPGA领域，易灵思是全球第一家把MIPI-CSI做成硬ASIC的，包括PHY和Controller；一方面降低了功耗，另一方面方便了使用者开发，用户只需要在软件中对MIPI参数进行配置即可快速实现协议，而无需花费大量时间编写程序。

而除了嵌入式视觉领域之外，像医疗、汽车等，也是相比传统通信赛道成长速率更快，机会更大，，易灵思也在积极布局。

目前易灵思有5颗车规的产品，预计年底会做完ISO 26262的功能安全认证。而像激光雷达、车内显示、多媒体等应用也有客户在做，只不过透露出的信息较少。

“通信行业作为最大的细分市场，易灵思也在积极布局，，针对近年来更为创新、增长更快的医疗、汽车、AI等市场，易灵思也在逐步实现突破。”杜宁分享到。

【三 · 向上生长】更大逻辑、更宽接口、更多应用

在拿出了创新的产品，站稳了嵌入式视觉的市场之后，易灵思未来在产品规划和市场布局上会怎么走？又如何看待先进制程被限制的困境？杜宁充满信心，继续向记者给出了答案。

产品布局方面，易灵思40nm的Trion系列，基本上已经完结，已经做全部量产了。而16nm将会是易灵思锚定的一个关键节点，在这个节点上，钛金系列和天机系列产品都会继续更新。据杜宁分享，未来集成了SerDes、375k的16nm芯片将会面市；天机系列的高集成度的SiP产品也会在今年发布。未来的产品布局上，钛金和天机两个系列产品会并行，在16nm节点上，FPGA会往“更大”的方向去做。首先逻辑规模会更大，第二就是SerDes接口带宽会更高。而在天机系列，易灵思将充分创新，打破传统FPGA的思维定势，提供更多新的方案。

产品性能发展，必然要迈向更微缩的工艺节点。这对于易灵思是否是个困扰？杜宁是这么看待的：16nm的工艺在六七年前看是非常先进的工艺，放在今天一定是会被制裁的。但是其实现在随着最新工艺到了5nm/3nm，其实16nm对于诸多应用来看已经非常普通。而随着时间再过一年、两年、三年，先进工艺到达了2nm、1nm，可能现在受到制裁的7nm、5nm工艺也会变得更为普通。从这个意义上来讲，芯片制程的提升并不是个大问题，只不过会比当下最先进的晚一些。

而正好从易灵采用的Quantum架构来说，其实对于先进工艺节点的要求也并不是那么高。凭借着架构优势，是可以在晚一代工艺节点上实现很好的PPA的性价比的，从这个角度出发，易灵思本身也并不急于要用特别高工艺节点的制程。

而在应用方向上，肯定是越来越宽的。而易灵思的思路也非常清晰，就是要在一个行业做深、做精、将份额做大，然后布局像医疗、汽车等高速增长的市场方向。这些方向，易灵思已经在慢慢尝试布局，想必在一定的时间节点，我们会看到更多的一些信息释放。

【结语】国内FPGA厂商，要走差异化路线

近年来FPGA市场可谓是风云变幻。市场排名第二和第一的Altera、Xilinx先后被Intel和AMD两大CPU厂商收购。独立FPGA厂商所剩无几。而反观国内，受到自主可控、国产替代等潮水推动，已经有十多家FPGA厂商涌现。而且这十多家厂商，面向的都是国内的市场；而且是在Xilinx、Altera、Lattice等占据的份额之外的市场，所以说竞争格局确实有点激烈。

在这个时候，如果还是选择规划传统FPGA一样的产品定义，去抢占传统FPGA厂商优势的市场，可以说是非常困难的。目前国内领先的FPGA厂商在产品规模上逐步壮大，分额也在快速提升，易灵思能够杀出重围的关建是要选择一条差异化的路径，走出自己的特色。

“我们的目标是要充分依托市场、依托客户需求来做产品，而不仅仅是看国外做了什么，然后就去做。”杜宁笑谈到，“Xilinx 10年以前已经做出来的东西了，为什么你还要跟他做成一样的，这不是很奇怪的一个事情吗？”