一直在被替代，FPGA缘何能持续焕发新生机？

FPGA（现场可编程门阵列）在应用场景上有其独特的地位，FPGA的灵活性让它能快速应用于前沿使用方案，但每当需求超过特定体量、成熟度高的时候，就会转向ASIC来降低成本，被ASIC替代。但是这项于1980年代初首次提出的技术，至今在半导体界仍然占据很重要的一席。那么，不由发问，FPGA的存活空间在哪里？
 
FPGA：一直在被替代，但仍屹立不倒
 
在近日的2023上海国际嵌入式展上，FPGA厂商Lattice亚太区现场技术支持总监蒲小双在接受半导体行业观察采访时表示：“FPGA在刚问世时的优势主要体现在其可编程性、快速性以及上市时间。当客户需要快速推出产品，而没有专门设计的ASIC芯片可用时，FPGA是一个可选的解决方案。还有一种特别的应用是，在开发产品时会选用不同的ASIC去完成系统功能，当各种ASIC无法做到无缝连接时，就需要由FPGA来实现桥接功能（Glue Logic），粘合逻辑。这就是FPGA的生存空间所在。不过，相对于ASIC而言，FPGA通常具有更高的成本。”
 
FPGA一直在被替代，但却一直在替代中焕发出新的生机。Lattice亚太区市场开拓总监林国松举了一个关于FPGA应用的很鲜明的例子：“初期的手机屏维修，都会用到FPGA芯片作为桥接，但是经过3年演变之后其几乎都被MCU替换。后来随着新的屏幕信号传输技术的引入，ASIC的推出速度无法赶上FPGA，所以还是需要用到FPGA。由此行业提出了对FPGA芯片性能的更高要求，这也是Lattice作为半导体厂商不断推出新款芯片的动力。”
 
“从产品定位来看，我们比较喜欢做的就是产品出货量适中，同时要有一些技术挑战，没有技术挑战多数就会容易被替换，这是Lattice希望做的产品类型，也是FPGA适合的领域。”林国松指出。去年Lattice推出了一款中端的FPGA产品Avant，就是Lattice的一大力作，Lattice对它有高的预期，Avant产品将能够让Lattice进入较现在大一倍的市场。
 
林国松还表示，一款FPGA产品问世之后，本身会有长时间的优化，FPGA产品出来以后会持续进行微调和软件优化，直到能够实现量产。FPGA产品前期花的时间越久，后面被替代的可能性就更低。因为门槛够高，想要替代需要花同样的代价才能替代。
 
FPGA要永远走在市场前面，客户才需要你
 
蒲小双指出：“从FPGA厂商的角度来说，我们喜欢的产品是其特性经常在变，需要不断更新。所以FPGA永远要走在市场的前面，客户才需要你。”
 
在此次展会上，Lattice展示了其FPGA在前沿技术领域的一些布局：
 
首先是在边缘AI领域：近年来，随着人工智能和深度学习的兴起，FPGA在加速机器学习和神经网络推理方面发挥重要作用。Lattice也早早的嗅到了其中的商机。早在三年前，Lattice就开始进行边缘AI的研究和开发，如今公司投入近百人专注在这一领域。
 
边缘AI是一个巨大的市场，不过现在大多数都是利用通用器件来做AI识别，其投入的成本和性能是往往也是成正比的，AI体验越好，后台支持的算力就越加强劲。Lattice的目标是将AI的能力移植到功耗低、成本低的FPGA芯片上，而且体验度不受影响。
 
为了让Lattice芯片能够结合前沿AI技术，Lattice花费上千万美元收购了总部位于加拿大的AI公司Miramatrix，这是一家专门设计基CPU的AI算法公司。通过引入AI算法，Lattice在基于人员识别的基础上，新增能够识别眼睛、鼻、嘴巴、耳朵的参数后，这也给了上层应用更多可发挥的使用场景。
 
Lattice AI落地的第一步是在PC上的部署，一个典型的应用场景是通过AI的智能识别方式来调节PC屏幕的亮暗。PC的空间有限，往往需要小尺寸、低功耗的产品来实现边缘AI功能，而Lattice的器件则可以很好的满足这一需求。据林国松的介绍，Lattice将其FPGA芯片放置在摄像头模组里，结合Intel的IPF的技术，实现了当使用者不看向屏幕时屏幕会暗下来，当人离开后屏幕就熄灭。
 
虽然在PC中增加了FPGA芯片，导致电脑成本有所升高，但是采用这种方式的一大好处是可以减少电脑的功耗，作为对比，通常如果利用CPU来实现人员识别，其功耗大约需要瓦或者十几瓦，而利用FPGA器件的话仅有百毫瓦，这是数量级的差别。因此也增加了电池的使用寿命，这节省了换电池的成本，远大于增加此功能的开销。林国松表示，通过增加Lattice的AI方案，可以延续手提电脑的电池的寿命达半年。
 
此外，除了通过使用场景的功耗优化，离开锁屏也提高了数据安全，当有其他人在看你的屏幕时，Lattice提供的软硬件能够实现提醒。目前Lattice已经有产品实际配置在笔记本里。
 
“AI的实现，不限于FPGA，GPU，或者MCU等等，但是在AI功能固化前，通过FPGA的灵活性来实现是一个很好的选择。”林国松表示。
 
车载和工业应用ISP：在车载和工业应用中，与摄像头相关的图像信号处理（ISP）需求日益增加。由于不同场景对分辨率和摄像头数量有不同要求，目前可以采用多种方案来实现ISP处理，包括使用SoC、专用的ASSP以及FPGA。
 
根据Lattice公司的介绍，采用FPGA来实现ISP功能的优势。首先，FPGA具有高度的可编程性，可以根据不同摄像头传感器的特点和要求进行参数调整，以获得最佳的图像处理效果。其次，采用FPGA实现ISP功能可以缩短产品研发的Time-to-Market时间，这使得制造商可以更快地将产品推向市场，抢占竞争优势。
 
在这一领域，Lattice可为客户提供模块化设计的ISP功能，它包括自动曝光、自动白平衡、自动对焦等等，帮助客户打造自己的差异化。
 
Local Dimming：Local Dimming技术在车载显示屏中的应用已成为近期的研究热点。为了提高普通液晶显示屏的显示效果并增加对比度，许多人开始尝试将Local Dimming技术应用于车载显示屏中，以此找到一个性价比的平衡点。Local Dimming的作用主要是让图像显示黑的地方更黑，亮的地方更亮，提高渲染效果。
 
 
 
Lattice公司为客户提供了由FPGA实现的完整Local Dimming算法和解决方案。借助FPGA的灵活可编程特性，Lattice可以为不同的SoC输出接口和显示屏输入接口提供各种不同的配置选项，例如LVDS接口、eDP/DP接口等。这种灵活性大大增加了客户在系统设计中的选择余地，能够更好地满足不同的需求。
 
CMS：CMS（Camera-Monitor System）是一种由摄像机和监视器组成的汽车电子后视镜系统，用于提供车辆后方和侧方视野的图像。它是一种新型的间接视野装置。CMS系统的组成部分包括显示屏、控制器和摄像头，它们通过线束进行连接。在CMS系统中存在一些技术难题，包括延迟、图像质量（ISP）和功能安全等能力要求。
 
在实现CMS系统时，可以采用纯显示型方案，这种方案成本较低，上手较快，更易于被接受。Lattice公司提供了一套CMS演示系统，其中ISP图像处理部分由ASIC完成，而图像的缩放、分割和拼接等功能由FPGA完成。通过这种组合方案，Lattice能够充分利用ASIC的图像处理能力和FPGA的灵活可编程特性，提供高质量的图像处理和实时性能。
  
 
量子计算加密：再一个前沿的开发是在应用在量子计算领域的Post Quantum Cryptography，这是Lattice欧洲分部和欧洲的设计公司合作开发的。
 
随着量子计算机在非对称加密算法有超强的破解能力，以往基于传统CPU的加密算法需要花费数十年甚至更长时间才能被破解，而有了量子计算机，这一过程可能仅需一周甚至更短的时间。为了应对量子计算的威胁，加密算法一直在不断演进。美国和欧洲正在选择最终的新加密算法，以抵御量子攻击，但这些算法本身的强壮性还需要经过加密算法攻击进行验证。一旦确定了新的算法，还需要一定时间来完善它的性能。FPGA可编程的特性，在算法需要不断修正的初期非常合适，也极易部署，同时可以在不改动硬件的条件下，不断修正算法上的弱点。
 
除此之外，Lattice还有助力工业互连的Ether-Connect解决方案、用于马达控制和马达预测性维护的Automation Solutions Stack 3.0等方案。
 
结语
 
无论是边缘人工智能、自动驾驶、量子计算、还是工业自动化，Lattice都在积极探索和研究着前沿技术，一方面他们不断发挥着FPGA的技术潜力，帮助行业继续向前发展；另一方面，也是让公司自身保持竞争力的表现。只要技术演进，FPGA不会没有生存空间。