智能手機(jī)市場(chǎng)增速放緩
半導(dǎo)體下游市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)歷了幾個(gè)階段，首先是出貨量為億臺(tái)量級(jí)的個(gè)人電腦，后來變成十億臺(tái)量級(jí)的手機(jī)終端和通訊產(chǎn)品，而從2010年開始，以智能手機(jī)為代表的智能移動(dòng)終端掀起了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高潮，成為最新的殺手級(jí)應(yīng)用?；仡欀暗亩?，下游電子行業(yè)殺手級(jí)應(yīng)用極大的拉動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷激勵(lì)半導(dǎo)體廠商擴(kuò)充產(chǎn)能，提升性能，而隨著半導(dǎo)體產(chǎn)量提升，半導(dǎo)體價(jià)格也很快下降，更便宜更高性能的半導(dǎo)體器件又反過來推動(dòng)了電子產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)和電子行業(yè)相互激勵(lì)，形成了良好的正反饋。但在目前，智能手機(jī)的滲透率已經(jīng)很高，市場(chǎng)增長(zhǎng)率開始減緩，下一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用將會(huì)是什么?
物聯(lián)網(wǎng)可能成為下一波的殺手級(jí)應(yīng)用
根據(jù)IHS的預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接數(shù)在2025年將會(huì)達(dá)到700億。
從數(shù)量上來看，物聯(lián)網(wǎng)將十億量級(jí)的手機(jī)終端產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面，很可能將會(huì)成為下一波的殺手級(jí)應(yīng)用。但物聯(lián)網(wǎng)的問題是產(chǎn)品多樣化，應(yīng)用非常分散。我們面對(duì)的市場(chǎng)正從單一同質(zhì)化大規(guī)模市場(chǎng)向小規(guī)模異質(zhì)化市場(chǎng)發(fā)生變化。對(duì)于半導(dǎo)體這種依靠量的行業(yè)來說，芯片設(shè)計(jì)和流片前期投入巨大，沒有量就不能產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，攤銷到每塊芯片的成本非常高。
FPGA比較適合物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算
目前，三大FPGA公司分別是賽靈思(Xilinx)，英特爾旗下的Altera和萊迪思半導(dǎo)體(Lattice)，賽靈思和Altera主打高端市場(chǎng)，高端FPGA應(yīng)用已經(jīng)拓展到醫(yī)療、汽車、數(shù)據(jù)中心, 通信，云計(jì)算，軍事科技領(lǐng)域, 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備等領(lǐng)域。而萊迪思半導(dǎo)體的FPGA主要應(yīng)用在工業(yè)，通信和消費(fèi)電子領(lǐng)域, 智能型手機(jī)兩大品牌廠三星電子(Samsung Electronics)、蘋果(Apple)都曾采用萊迪思的FPGA芯片。
應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的多樣化特點(diǎn)，提供物聯(lián)網(wǎng)需要的能力，F(xiàn)PGA可能是解決方案之一
FPGA可以通過硬件結(jié)構(gòu)的改變來適應(yīng)算法的要求，企業(yè)可將自己的程序植入這類芯片以實(shí)現(xiàn)不同的用途。FPGA高彈性化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)也幫助開發(fā)者縮短研發(fā)時(shí)間，應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的多樣化定制化需求。從功能上看，F(xiàn)PGA比較適合量大面廣，定制化需求多的小批量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
除了應(yīng)對(duì)小規(guī)模異質(zhì)化的挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)需要具備的關(guān)鍵要素還包括:多樣的傳感器(各類傳感器和Sensor Hub)，分布式計(jì)算能力(云端計(jì)算和邊緣計(jì)算)，靈活的連接能力(5G， WIFI， NB-IOT， Lora, Bluetooth, NFC，M2M…)，存儲(chǔ)能力(存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)中心)和網(wǎng)絡(luò)安全。
以下從云端計(jì)算和邊緣計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)安全和多傳感器融合等幾個(gè)方面簡(jiǎn)單分析:
云端計(jì)算和人工智能正在使用FPGA
云計(jì)算，大數(shù)據(jù)和人工智能的數(shù)據(jù)中心正在使用功能強(qiáng)大的CPUs，GPU, TPU和FPGA。賽靈思(Xilinx) 和英特爾(Intel)旗下Altera主要生產(chǎn)許多適合用于數(shù)據(jù)中心的FPGA芯片，Intel已經(jīng)開始將其服務(wù)器處理器與Altera的FPGA芯片進(jìn)行配對(duì)整合，形成CPU+FPGA的組合模式用于數(shù)據(jù)中心，單位功耗性能比CPU+GPU模式更高。微軟在Azure云端數(shù)據(jù)中心和人工智能應(yīng)用中導(dǎo)入Altera的FPGA, 亞馬遜(Amazon)也在云端網(wǎng)路中采用賽靈思16納米UltraScale+系列FPGA芯片，幫助云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)分析、影像處理、安防等功能。
邊緣計(jì)算的應(yīng)用開始使用FPGA
物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算能力和云端計(jì)算能力同樣重要，邊緣計(jì)算可以實(shí)時(shí)收集和處理各種傳感器收集的信息和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)遇到的緊急事件，及時(shí)反饋。實(shí)時(shí)的與周邊的環(huán)境和物體進(jìn)行M2M交互，多個(gè)小型處理器提供分布式的異構(gòu)處理能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、聚合、加密、處理和傳輸?shù)裙δ堋?/p>
目前，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)開始部署在小型的移動(dòng)平臺(tái)上，很多移動(dòng)人工智能平臺(tái)也開始使用FPGA, 可編程特性和靈活部署能力使其切入智能型手機(jī)、穿戴式裝置、ADAS, 無人機(jī)、360度攝影機(jī)、 AR/VR等領(lǐng)域。FPGA能夠加速機(jī)器學(xué)習(xí)能力，提高并行處理能力，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算需求，并支持高級(jí)功能，比如嵌入式語音識(shí)別(自然語言人機(jī)界面)，嵌入式視覺(生物識(shí)別或者物體識(shí)別)由于FPGA計(jì)算方式采用并行方式，其處理效率較DSP大幅提高。比如用CPU(GPU)配上FPGA的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量車牌或者人臉的并行分析。
個(gè)人網(wǎng)絡(luò)安全和隱私推動(dòng)FPGA在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)展
除了提供邊緣計(jì)算能力，還需要保證這些智能產(chǎn)品不會(huì)侵犯人類的生活，保護(hù)使用者的網(wǎng)絡(luò)安全和個(gè)人隱私，并提供一個(gè)友好的人機(jī)交互界面。 FPGA 是一個(gè)進(jìn)行算法加密的好地方，作為硬件的FPGA很難被惡意軟件讀取或者修改，但廠商卻也可以進(jìn)行修改升級(jí)。另外，因?yàn)槭占男畔⒑蛿?shù)據(jù)可以在本地處理，不用全部上傳到云端，所以可以保護(hù)個(gè)人隱私和網(wǎng)絡(luò)安全。比如蘋果的Siri主要依靠云端計(jì)算，Apple Pay也有網(wǎng)絡(luò)安全的需要，那么在iPhone7終端上使用FPGA硬件提供部分個(gè)人網(wǎng)絡(luò)安全功能的推斷是合情合理的。
Sensor bub和接口電路是FPGA的重要需求
在未來的物聯(lián)網(wǎng)世界，智能裝置需要的處理多種外界數(shù)據(jù)，比如溫度，壓力，位置，加速度等等，處理器需要連接各種各樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，電流和電壓傳感器，PCIe、DDR4、SDRAM、高速以太網(wǎng)，電源管理、紅外掃描、接口轉(zhuǎn)換等等接口。FPGA橋接接口可以解決接口兼容性的問題。 FPGA可以提供膠合邏輯glue-logic，Lattice的ICE40系列就用在特殊的邏輯電路和接口應(yīng)用中。在智能家居領(lǐng)域，未來的智能家居的核心在于傳感器的融合，比如控制電視，燈，窗簾，冰箱，音樂自動(dòng)播放，門禁和安防， FPGA并行處理能力非常強(qiáng)，天然具有與多種外界裝置接口的能力，并提供低功耗，低延遲。
同時(shí)，在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代里，F(xiàn)PGA也面臨一些障礙。
FPGA在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的阻礙之一:功耗
通常的FPGA能量效率低，能耗比較大，因?yàn)橹暗腇PGA大多應(yīng)用于功耗要求不高的領(lǐng)域，所以并沒有添加專門的功耗處理技術(shù)。但是如果應(yīng)用在可穿戴設(shè)備或者AR/VR中，必須對(duì)芯片功耗做特殊的處理，包括采用晶圓廠的低功耗工藝、降低時(shí)鐘頻率、合理布局時(shí)鐘樹、能源模塊開關(guān)管理、整體架構(gòu)的低功耗設(shè)計(jì)等等技術(shù)。
大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都需要“永遠(yuǎn)在線”，物聯(lián)網(wǎng)終端需要處于待機(jī)模式。然而，如果用一個(gè)活動(dòng)狀態(tài)的處理器來監(jiān)視用戶交互設(shè)備，該設(shè)備將會(huì)消耗大量的能量。如果使用一個(gè)附屬的低功耗的FPGA來監(jiān)測(cè)傳感器、按鈕、計(jì)步器、運(yùn)動(dòng)傳感器、光線傳感器，語音命令，無線模塊，拍攝LED、背光LED，顯示待機(jī)等模塊，直到用戶需要才喚醒CPUs。這種方法比用CPU直接管理更省功耗。
一些低功耗的FPGA也已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，比如萊迪思半導(dǎo)體的iCE40 UltraPlus FPGA待機(jī)功耗低于100 mW，用于移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)傳感器緩存和分布式處理，功耗低于1 mW。
阻礙FPGA在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的困難之二:價(jià)格
通常FPGA主要應(yīng)用于視頻、工業(yè)、通信、汽車等領(lǐng)域，因?yàn)檫@些領(lǐng)域?qū)π酒氖褂昧可佟?yīng)用差異化、性能要求穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以這些領(lǐng)域可以接受高溢價(jià)。而FPGA門檻極高，是寡頭壟斷市場(chǎng)，中高端FPGA市場(chǎng)由Xilinx和Intel PSG(Altera)統(tǒng)治，產(chǎn)品毛利率高，價(jià)格昂貴，從幾十到幾萬美金都有。所以，價(jià)格成為FPGA在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的主要障礙。
但是對(duì)于消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域或者未來的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，首要考慮的因素是價(jià)格。目前，萊迪思半導(dǎo)體將FPGA的成本控制的比較好，在小型化，低功耗，低成本上面達(dá)到一個(gè)比較好的優(yōu)化水平，使得專用ASIC芯片在一定的數(shù)量范圍內(nèi)的性價(jià)比并不占優(yōu)勢(shì)。Altera公司推出的第十代FPGA當(dāng)中的低端產(chǎn)品--MAX 10 FPGA。Lattice公司針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用先后推出了iCE40、iCE40 ULTRA等好幾款低價(jià)格的FPGA芯片
萊迪思半導(dǎo)體的iCE40 UltraPlus (1.1Mb RAM， 8個(gè)DSP，多款封裝尺寸)可以以極低的價(jià)格為廠商提供邊緣計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)傳感器到云端的安全算法和加速功能，具備機(jī)器學(xué)習(xí)/片上人工智能(比如低功耗人臉檢測(cè))。可編程特性使其切入智能手機(jī)、穿可穿戴設(shè)備、無人機(jī)、360度攝影機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。適用于語音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、圖像識(shí)別、力度感知、圖像加速、信號(hào)聚合、I3C橋接等。比如最近比較火的麥克風(fēng)陣列波束形成上也可以應(yīng)用。
總的來說，在未來的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代(包括云端和邊緣)，F(xiàn)PGA還面臨各種CPUs，ASIC，SOC，可重構(gòu)計(jì)算芯片(Reconfigurable Computing Chip, RCC),以及種類繁多，價(jià)格低廉的MCU的競(jìng)爭(zhēng)，但應(yīng)對(duì)多樣化和異質(zhì)化的物聯(lián)網(wǎng)世界，F(xiàn)PGA
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