在提到5G时，华为无疑是一个引人注目的名字。在其5G基站中，有一种不那么显眼但却极为重要的芯片——FPGA芯片。
那么，什么是FPGA芯片呢？
要快速了解一种芯片，通常可以查看其功能和用途，但对于FPGA而言，这种方法并不奏效。
深入研究FPGA的应用场景后，你会发现一个庞大的列表，涵盖了通信网络、物联网、信息安全、数据中心、人工智能、卫星导航、医疗器械、图像处理、视频编码、云计算和军工等多个领域。
许多人在查阅过程中可能会感到困惑，因为FPGA的应用范围涉及众多行业。那么，FPGA芯片究竟是什么呢？
简单来说，它就像一张白纸。
如果将其他专用芯片比作不同风格的画作，那么FPGA芯片则是白纸。我们可以在这张白纸上绘制出各种风格的作品，这正是FPGA的魅力所在。
设想一下，如果你是一块FPGA开发板，你在大学实验室中的一天可能会是这样的：
清晨，一群大二学生进入实验室。他们急于完成昨晚未完成的项目，开始调整相关硬件。最终，他们将FPGA开发板变成了一个音乐播放器。
中午，一组大三学生来到实验室，他们准备参加省内的智能小车比赛。这块FPGA开发板被他们借去，用于测试智能小车的代码。
下午，一位大四学生也来到实验室，借用这块FPGA开发板来进行他的毕业设计，目标是制作一个电梯控制模块。
就这样，一天过去了。同一块FPGA开发板，上午是音乐播放器，中午是智能小车，下午又变成了电梯控制模块。只因每次刷入的代码不同，FPGA芯片展现出了完全不同的功能，这就是FPGA的神奇之处。
FPGA的特点
FPGA的一个显著特点是灵活性。正如前文所述，它就像“白纸”，通过“刷代码”的方式改变用途和功能。
在数据中心中，许多设备是面向不同客户出租的，因此硬件的用途经常会变化。在这种情况下，使用FPGA作为加速卡会非常便利，设备用途变化时，FPGA也能随之调整。
尤其在人工智能领域，FPGA的优势更加明显。随着时间的推移，流行的神经网络和相应算法也在不断变化。此时，若需要频繁更换硬件，以满足算法需求，FPGA的灵活性便显得尤为重要。只需重新刷入代码，便可节约时间和成本。
除灵活性外，FPGA的另一个显著特点是并行处理能力。如何理解并行呢？
假设我们周末需要做家务，包括洗衣服、洗菜和做饭。如果按顺序进行，可能需要40分钟，但我们可以在洗衣机洗衣服时同时进行其他家务，这样总共只需25分钟就能完成所有任务。
因此，并行处理可以显著提高效率，这也是FPGA能够帮助CPU加速计算的原因。
然而，并非所有任务都适合并行。例如，洗完菜后才能做饭，这两个任务就无法并行。因此，FPGA的加速通常针对特定任务，而不如CPU那样能够解决所有问题。
FPGA与ASIC的比较
FPGA，全称现场可编程逻辑门阵列，属于一种半定制电路。而ASIC是专用集成电路的缩写。
这两者都可以视为“白纸”，不过在FPGA的“白纸”上，我们画的是铅笔画，而设计制造ASIC芯片时，则是在“白纸”上绘制水彩画。
两者都有相当的灵活性，但ASIC一旦完成，便无法再修改；而FPGA则可以擦除重新绘制。
从性能角度来看，如果其他条件相近，ASIC的性能通常优于FPGA。就像水彩画色彩更加鲜艳一样。如果一个电路在后期不需要更改，从性能（功耗、速度、芯片面积）考虑，选择ASIC更为合适。
当然，除了性能考量外，实际选择还涉及其他因素，如成本。
ASIC的起步成本非常高，尤其对于先进工艺制程而言，流片一次的费用可能高达上亿元。而FPGA的起步成本相对较低，可以在网上以几百元的价格购得开发板。此外，由于ASIC制造后无法更改，若设计不合理或市场反馈不佳，开发成本可能会白费；而FPGA则很少遇到此类风险，若设计出现问题，后期可以再次调整，甚至可以在其他项目中重新利用。
另一方面，ASIC的规模化生产后边际成本极低，而基于FPGA设计的产品则难以通过大规模生产获得边际成本优势。
可以打个比方：想吃羊肉串，ASIC就像自助餐，入门费用高，但进门后吃多少串的费用差别不大；而FPGA就像普通餐馆，没有最低消费，点多少吃多少，但不会因为多点而有优惠。随着芯片的更新换代，可能需要换口味，但在自助餐厅里没有排骨，需重新交钱进入另一家。而对于FPGA来说，换个餐厅点餐即可，毕竟没有最低消费。
因此，对于一些中小企业，如果产品性能有一定要求且无法承担一次性流片费用，他们通常会选择FPGA；如果性能要求不高，则可能选择成熟工艺的ASIC，后者的流片成本相对较低。
对于大公司，情况则较为复杂：若目标产品需频繁变更，则使用FPGA；若产品在开发初期需频繁调整，定型后则不再修改，则可以在初期使用FPGA，待定型后转向ASIC。如果某个芯片产品已有相当开发经验，且第二年只需推出新款，也可能直接采用ASIC。
另外，开发周期也是一个关键因素。先进工艺的流片费用高，且开发周期较长。在这种情况下，一些公司为了更快地将产品推向市场，也会选择FPGA。
国产FPGA现状
根据2018年的数据，全球FPGA市场中，Xilinx（赛灵思）、Intel（英特尔）、MicRoSEMi（美高森美）、Lattice（莱迪思）四家公司占据了约96%的市场份额。这四家公司及排名第五的QuickLogic均为美国公司，而在市场占有率仅为2%的其他公司中，也包括一些美国公司。
国内FPGA公司如紫光同创、复旦微电子、高云半导体等仍在发展阶段，与国外先进FPGA公司相比存在一定差距。
工艺差距
Xilinx和Intel这两家公司均提供不同工艺制程的FPGA产品，以更好地满足不同需求和预算的客户。当前，Xilinx的最先进工艺为16nm，而Intel为10nm（统计自官网展示的FPGA产品，未包括如Xilinx 7nm工艺的ACAP类产品）。
相比之下，国内FPGA厂商如紫光同创目前的FPGA产品种类较少，官网上展示的最先进工艺为40nm。大约在今年3月，紫光同创发布了28nm工艺的Logos-2系列FPGA，但在官网产品页面中未找到相关信息，仅有发布的新闻资讯。
另一方面，以Intel的Stratix系列FPGA为例，其40nm产品Stratix IV推出于2008年，28nm产品Stratix V则在2010年发布。
推广差距
对于FPGA产品来说，除了向企业推广，向学校的推广也同样重要。FPGA厂商通常不仅提供FPGA芯片，还配备了包括EDA工具在内的相对完整解决方案。各厂商一般都有自己的EDA工具，例如Xilinx的Vivado、Intel的Quartus II、紫光同创的PDS等，这些都是各自的FPGA软件工具。不同软件在功能和使用习惯上存在差异，因此让未来的FPGA工程师在学校期间习惯使用自家EDA工具和芯片至关重要。
例如，清华大学于1994年便与Xilinx合作成立了中国大陆第一个培训中心。在清华大学招聘FPGA工程师的岗位描述中，明确要求熟悉Altera/Xilinx的FPGA设计流程。
此外，许多企业在招聘FPGA工程师时也明确要求掌握Intel（Altera）/Xilinx的设计流程，少数企业要求掌握Lattice的设计流程。这表明Intel和Xilinx的推广相对成功，紫光同创也在朝着这一方向努力。
例如，在2017年第七届大学生集成电路设计与应用创新大赛-紫光同创企业杯中，设计要求中通常会包括使用紫光同创Titan系列FPGA进行设计。通过这种方式，紫光同创在推广自己的产品。
这样，部分相关专业的大学生在毕业前能够获得紫光FPGA的开发经验，并开始熟悉紫光FPGA的开发流程。然而，这种推广对企业的具体反馈效果仍需时间来验证。
面临的挑战
鉴于美国的出口管制政策及相关措施，许多中国企业正积极推进“国产替代化”。在FPGA这一高度被美国公司垄断的市场中，国产替代化显得尤为重要。这对紫光同创、复旦微电子、高云半导体等国产FPGA厂商来说是一个机遇。目前，国内FPGA厂商的FPGA芯片和EDA工具正逐步发展，未来的发展前景值得关注。
