SPEA向泰国大学捐赠测试设备
06-06
雷锋网：本文来自作者半导体产业联盟。
文章主要介绍了iPhone7中使用的FPGA芯片，并介绍了FPGA芯片的发展历史。
苹果公司的iPhone 7已经在这几天正式上市了。
位于加利福尼亚州圣路易斯奥比斯堡的 iFixit 团队将 iPhone 7 Plus“拆解”成八块。
其拆解图片和解说报告迅速占领了世界科技媒体。
在这份拆解报告中，我们惊讶地发现了新的补充。
iPhone 7 Plus主板集成了一块非常小的FPGA，尺寸为2mmx2mm。
这款芯片就是Lattice几年前推出的iCE40低密度、低功耗小封装FPGA。
型号为iCE5LP4K，密度为3.5K LUT-4等效逻辑资源。
其周边设备包括音频CODEC、音频放大器、分集接收器加背面气压传感器、NFC控制器、WIFI/蓝牙等控制器。
经过人士一番猜测，这里这块FPGA实现的功能可能是Sensor HUB的功能，就是对多个传感器进行聚合和预处理（可能包括总线控制、总线转换、时分复用、接口转换等功能）模块），必要时会与主处理器CPU进行数据交互和进一步操作，减少主处理器CPU相关模块的监控和操作频率，从而降低功耗，提高处理性能。
当然，人士对其他技术也有不同的看法。
他们认为这款FPGA的主要功能是控制USB Type C。
目前，由于标准等原因，还没有ASSP厂商提供完整的解决方案，而Lattice利用FPGA的特性，成为首批USB Type C供应商之一。
这也是FPGA相对于ASSP的优势，不仅加快了上市时间，还帮助客户节省了时间和成本。
当然，在苹果或Lattice透露他们的设计意图之前，这些都只是猜测。
iPhone7 Plus 拆解组件目录如下： Apple/Cirrus Logic S5 音频编解码器Cirrus Logic S0 音频放大器(x2)Lattice Semiconductor ICE5LP4K FPGASkyworks 2-20 分集接收模块Skyworks 3-21 分集接收模块Avago LFI39NXP A38Apple A10 Fusion APL1W24 SoC Samsung 3 GB LPDDR4 RAM 高通 MDMM LTE Cat. 12 调制解调器Skyworks 0-20Avago AFEM 功率放大器模块Avago AFEM 功率放大器模块Universal Scientific Industrial O1 X4Bosch Sensortec BMP气压传感器Toshiba THGBX6T0T8LLFXF GB NAND FlashMurata S9 Wi-Fi/蓝牙模块NXP 67V04 NFC ControllerDialog S5 电源管理 ICQualcomm PMD电源管理 ICQualcomm WTRMultimode收发器Qualcomm WTRRF 收发器TDK EPCOS DTexas Instruments 64W0Y5Ptexas Instruments 0A0P 电源管理 IC Lattice的 FPGA 器件此前从未进入过苹果的供应链。
这是史无前例的第一次，也是苹果首次将 FPGA 器件引入 iPhone 中。
为什么？按照常理来说，以苹果年销一亿部iPhone的情况，如果想尽可能降低成本，就应该尽可能使用ASIC芯片。
过去的传统是FPGA通常只用于小批量市场，所以这次苹果的设计确实引起了大家的兴趣。
许多年前，三星 Galaxy S4 和 S5 率先使用了Lattice的同款 FPGA 器件。
当时主要的应用方向是红外识别和二维码识别。
然而，在 S5 之后的 Galaxy 机型中，三星使用了其他 FPGA 器件。
该方案取代了FPGA，因此并没有引起业界的震动，但苹果使用FPGA的意义还是很不一样的。
苹果iPhone 7此次采用FPGA解决方案，树立了智能手机行业的标杆。
这也意味着，FPGA这种冷门器件第一次如此显眼地出现在消费电子市场，并赢得了广泛关注。
很多年前情况并非如此。
这是完全不可能的。
至少我们可以得出一个简单的结论：也许集成FPGA的存在将成为未来区分高端智能手机的分水岭。
也许未来我们会发现更多的消费电子产品会应用到FPGA。
这对于 FPGA 行业来说应该是个好消息。
Lattice iCE系列的发展历史苹果这次使用的Lattice芯片就属于ICE系列。
2016年，Lattice发布了iCE40，这是市场上第一款用于移动应用的FPGA。
至于iCE产品的命名，也符合该产品的特点，那就是像冰一样的低功耗。
在Lattice推出iCE之前，消费市场占其总收入的比例还不到5%，但现在消费市场占销售额的比例接近30%，这一切都得益于新的市场应用。
随着手持市场技术的快速演进，很多功能仍处于实验期，没有相应的协议和稳定的市场。
ASSP制造商不愿意开发它们。
因此，在六个月到一年的窗口期内，FPGA可以帮助客户解决问题。
过渡问题。
Lattice用“台湾香膏”来比喻iCE系列，意为最灵活的可穿戴设备。
另外，FPGA可以帮助客户节省调试时间，因为一旦ASSP出现bug，客户只能等待下一批产品，而FPGA可以随时修改，缩短开发周期。
2016年，Lattice推出了针对中端手机和可穿戴设备的iCE40 UltraLite。
顾名思义，它实际上是 iCE40 Ultra 的简化版。
不过配置并没有减少。
最大的变化是存储空间的减少，逻辑单元从1k/2k/3k减少到0.64k和1.2k，客户可以根据自己的应用自主选择。
例如，对于腕带或中端手机，可以考虑使用UltraLite来同时实现低功耗、差异化和低价的产品设计。
封装尺寸小至1.4x1.4x0.45mm，比竞争对手产品小60%；功耗仅35uA，比竞争对手低30%；并且它具有最高水平的硬件集成度。
iCE系列针对的应用包括：可穿戴设备、计步器、常亮导航、语音输入、LED呼吸效果、日程提醒、活动监测、红外控制、用户识别等。
同时，UltraLite还支持多种工业应用，包括手持工具和POS等传统工业应用，以及便携式血压计等手持医疗设备，以及牙科和胃镜等体内医疗应用。
FPGA市场正在进入快速增长期。
FPGA被誉为“通用芯片”。
从技术角度来看，它是一种可编程产品，可以在不改变芯片本身硬件构成的情况下重复使用。
根据市场变化，在同一个载体上实现不同的功能。
听起来很美好，但是开发起来却非常困难。
能够制造FPGA器件的厂商一定是大厂中的佼佼者，因为像英特尔、德州仪器这样的半导体巨头也曾尝试进入这个市场，但都因为这样或那样的原因失败了。
目前，全球能够量产FPGA的公司屈指可数。
Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi都是美国知名公司。
FPGA是专用集成电路（ASIC）领域的半定制电路。
其优点包括生产快速、可修改、程序中的错误可纠正、成本较便宜。
工程师可以通过重新配置FPGA内部的逻辑模块和I/O模块来实现所需的逻辑。
FPGA还具有静态可重复编程和动态系统可重构的特点，使得可以像软件一样通过编程来修改硬件的功能。
FPGA可以完成任何数字设备的功能，甚至高性能的CPU也可以用FPGA来实现。
FPGA就像一张白纸：上电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读取到片内编程RAM中，配置完成后进入工作状态；断电后，FPGA回到一张白纸，内部逻辑关系消失，因此FPGA可以重复使用。
使用FPGA开发数字电路可以大大缩短设计时间，减少PCB印刷电路板的面积，提高系统的可靠性。
将硬核CPU或软核CPU嵌入到FPGA中，既可以实现数字逻辑，又可以适应嵌入式开发。
2018年，全球FPGA市场总规模达50亿美元，其中中国市场份额近17亿美元，占全球市场三分之一。
分析师预测，2020年至2018年全球FPGA市场将以9%的复合年增长率增长，到2020年，全球FPGA市场规模将达到84亿美元。
目前，FPGA正处于加速增长的市场趋势，且增长速度远大于其他芯片市场。
与此同时，FPGA行业的平均毛利润也相当可观。
据市场数据分析，行业平均毛利率大于60%。
FPGA行业还需要更大的市场规模来吸引更多的用户。
预计随着FPGA产量逐渐增加、成本进一步降低，其市场份额将不断增加。
目前FPGA的主要应用领域是通信、工业控制、国防、消费等。
近年来FPGA最引人注目的趋势之一就是应用领域的不断拓展。
就传统FPGA应用市场而言，通信逐渐实现高速、复杂协议，而消费电子应用则注重低功耗、低成本。
此外，FPGA还广泛应用于医疗电子、安防、视频、工业自动化、语音网络、半导体制造设备、家用电器等领域。
FPGA在工业中的应用主要涉及四大领域，即电机控制、工业网络、机器视觉和机器人控制。
以电机控制为例，重点是降低噪声、降低振动、降低EMI，同时实现更高的控制精度、降低能耗。
目前，在全球市场上，Xilinx和Altera仍然在FPGA技术和市场上占据绝对垄断地位。
两家公司占据近90%的市场份额，拥有的专利数量与其他公司一样多；剩下的市场份额主要由Lattice和Microsemi占据，这两家公司也拥有多项专利。
Xilinx和Altera两大公司营收分别为23.8亿美元和19.3亿美元；而Lattice和Microsemi（仅FPGA部分）的营收分别为3.66亿美元和2.75亿美元。
FPGA市场前四名的领导者几乎垄断了FPGA市场份额。
FPGA市场前景诱人，但门槛是芯片行业无法比拟的。
全球已有60多家公司花费数十亿美元接连尝试登上FPGA高地之巅，其中包括英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等行业巨头。
然而，最终成功跻身美国硅谷四大公司之列的只有Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi。
上述四家公司持有剩余专利。
这么多技术专利带来的技术壁垒当然是难以企及的。
摩尔定律与英特尔云计算尝试收购Altera 去年，英特尔以1亿美元收购了第二大FPGA公司Altera。
当时，英特尔首席执行官科再奇曾表示，英特尔的增长战略是扩大核心资产，进入高利润、互补的市场空间。
通过此次收购，英特尔可以推动摩尔定律推出更好、更强的下一代解决方案。
企业用户期望在增强网络、大规模云数据中心和物联网方面具有更高性价比的性能，而这正是摩尔定律以及英特尔与Altera的联合创新所能实现的。
那么，英特尔为什么愿意以如此高的价格（几乎是市销率的8倍）收购这家公司呢？作者注意到，2009年，微软、亚马逊、谷歌和许多一流大学在IEEE发表了一篇题为《提升大型数据中心的可配置架构》（A Reconfigurable Fabric for Acceleating Large-Scale Datacenter Services）的长论文。
本论文的参与方还包括Altera 和Quanta 的技术支持。
本文涉及的项目名为“Catapult”，是微软研究院积极推动的一个激进项目。
在云计算时代，微软研究院一直在积极思考如何完善当前的云基础设施。
由于当前云基础设施的快速增长，当云数据中心超过一定规模时，将面临稳定性和可持续性的挑战。
微软研究院正在积极考虑是否有其他替代技术来实现云数据中心的可持续性。
成长起来，这项技术就是FPGA现场可编程门阵列。
自2006年全球首款FPGA产品诞生以来，FPGA的应用逐渐从数字信号处理和高速串行收发器扩展到嵌入式处理器。
FPGA广泛应用于通信、消费电子、工业控制、测试测量等微电子电气领域，但在大型数据中心中几乎没有使用。
微软研究院6月宣布，已成功完成将FPGA技术（而非GPU技术）应用于Bing云数据中心的测试。
效果包括处理 Bing 的自定义算法比传统服务器快 40 倍，比传统服务器快 40 倍。
Bing现有系统的速度提高了一倍，并且可以将现有服务器的数量减少一半。
FPGA技术加速服务器上大量数据的处理，帮助解决大数据问题，满足巨大的分布式工作负载需求。
《提升大型数据中心的可配置架构》（用于加速大规模数据中心服务的可重构结构）本文讨论了如何在 Bing 上测试 FPGA 技术。
2019年9月，百度迅速跟进，宣布将在自家数据中心采用FPGA技术。
这意味着未来数据中心的巨大市场空间很可能是依靠FPGA来实现的。
对于英特尔过去市场份额相对较低的通信和网络市场，与Altera的合并有望打开这一市场空间。
FPGA在云数据中心的应用将从CPU和FPGA离散使用发展到CPU和FPGA打包使用，再到CPU和FPGA集成使用，利用卷积神经网络算法进行图像识别，利用加密算法进行安全控制和压缩算法。
它在大数据处理等方面发挥着重要作用。
微软的研究表明，FPGA的功耗约为高端GPU的1/10，但高端GPU的图像处理能力是FPGA的2到3倍，由多个FPGA组成的集群可以实现GPU的图像处理能力并保持低功耗特性。
英特尔预测，到2016年，三分之一的云数据中心节点将采用FPGA技术。
在物联网方面，Altera的FPGA技术与英特尔Atom芯片的结合有望取代工业自动化控制市场和高级驾驶辅助系统市场的现有技术，创造1亿美元的增量可服务市场。
由于采用FPGA技术，用户可以自行编程来替代现有的专用标准电路（ASSP）和专用集成电路（ASIC），为关键物联网应用添加新功能，提高性能、降低成本、减少产品上市时间缩短高达 50%。
当前，FPGA市场竞争正在发生变化，应用领域不断扩大。
此前，FPGA主要以通信市场为主，但工业智能、汽车电子、物联网的发展导致对灵活可编程FPGA的需求激增。
FPGA厂商倾向于转型为解决方案提供商，积极开拓消费市场。
与英特尔等主要制造商的合作可能会决定市场上的主导解决方案地位。
一旦Intel和Altera的解决方案占据主导地位，程序员和工程师就会涌向这一技术方向，并将进一步巩固Intel的市场地位。
2019年6月，英特尔宣布将其业界领先的至强处理器和FPGA封装到一个单一结构中，该结构的插槽与标准至强处理器兼容。
英特尔表示，FPGA将为英特尔客户提供更强大的算法执行能力和更高的性能。
行业研究表明，基于FPGA的加速器将带来10倍以上的性能提升，英特尔声称在此基础上还可以带来更多2倍的提升。
它还在 FPGA 和处理器之间使用基于 FPGA 的加速器。
超低延迟接口。
也就是说，英特尔通过使用FPGA可以为基于服务器的应用带来20倍以上的速度提升！ 9月，Altera开始与百度建立合作伙伴关系，在百度的深度学习应用中使用FPGA和卷积神经网络（CNN）。
百度表示，FPGA加速具有巨大的应用潜力，将有助于FPGA渗透到主流异构计算领域。
利用 Altera FPGA 硬核 IEEE 浮点乘法器和加法器的可编程功能和特性，服务器和数据中心可以满足搜索、大数据和深度学习等领域日益复杂的需求。
据估计，全球数据中心的能耗占全球总能耗的1%-10%，并且随着数据量的增长，能耗也在快速上升。
现在，在继续提供更快的计算能力的同时减少能源消耗的增长已经成为一个巨大的经济和生态问题。
当今的数据中心建立在廉价的电力之上，数据中心的规模和吞吐量受到输入功率和散热能力的限制。
微软、谷歌、Facebook 和 eBay 等严重依赖服务器的公司有足够的动力致力于更快的代码执行和更低的电费。
同时，随着摩尔定律运行了大约50年即将结束，我们单核处理器的功耗问题已经达到了极限，功耗的增长速度超过了性能的增长速度。
然后我们还有双核、四核、甚至八核甚至更多核的芯片。
最后，为了弥补底层半导体工艺持续改进的不足，我们正在寻找其他方法。
仅仅等待更好的半导体材料来解决数据中心的问题并不是一个可行的选择。
为什么FPGA能够以更低的功耗显着提升计算能力？对于特定算法，基于 FPGA 的硬件可以提供高粒度并行计算——更低的延迟、更高的吞吐量和更低的功耗。
另外值得注意的是，英特尔并不是第一家计划大规模生产带有 FPGA 的异构处理器的公司。
Xilinx 凭借其 Zynq 系列已进入该市场多年，该系列使用带有 Xilinx FPGA 架构的 ARM 处理器。
虽然Zynq不是数据中心级别的处理器，而且实际上差距还很大，但Xilinx在Zynq上的经验和工具积累将让它在未来的低功耗服务器市场竞争中占据一席之地。
从FPGA的5大市场来看，工业、通信等领域已经占据70%左右的市场份额。
计算机应用和医疗设备快速发展，低成本、低功耗的FPGA进入消费市场。
随着通信、工业控制、机器人、视频分析甚至消费市场的发展，FPGA的市场规模变得越来越大。
近期，有人表达了FPGA取代CPU作为主芯片的可能性。
同时，投资门槛高、投资门槛高的FPGA在国产化方面能否继续强劲发展。
FPGA能否成为摩尔定律失效的解药？Lattice是唯一的消费电子 FPGA 供应商吗？笔者之前提到过，现在整个全球FPGA市场完全被四家美国公司垄断，Altera和Xilinx垄断了大约88%的市场。
对于中国本土企业来说，FPGA几乎是一片空白，无论是现在还是未来。
仍将严重依赖进口。
如果再次出现中兴禁运危机，对于任何公司来说都可能是一场灾难，而FPGA的快速增长也将给中国带来更多挑战。
中国什么时候能够完成半导体拼图的这一重要部分？ ，是政府和各大厂商关注的焦点。
不过，根据笔者获得的产品信息，国内一家公司已成功开发出与LatticeiCE系列同型号的兼容设备，并已在市场上销售。
因此，笔者并不太担心中国人能否最终攻克美国人建造的FPGA堡垒。
这家公司不仅有兼容Lattice的器件，还有兼容Altera中低端芯片的器件。
（为了避免广告嫌疑，公司名称已被删除。
）这家国内厂商也曾出现在三星的Galaxy系列中。
可以确认不是逆向设计，不然三星这样的大厂商会非常在意知识产权问题。
会购买。
FPGA的未来随着智能市场的需求变化越来越快，定制芯片（SoC asic）项目大幅减少的趋势已不可逆转。
采用ASIC解决方案的投资金额大幅增加，周期长，市场风险显着增加。
相对而言，FPGA技术正在逐渐走向主流。
FPGA具有并行计算的优势，在高性能、多通道领域可以替代部分ASIC和DSP。
FPGA的并行计算可以在多通道处理方面优化传统ASIC解决方案。
以5万片流片为临界点，在高价值、体积相对较小、多通道的计算专用设备（如雷达、航天飞机、路由器）上，FPGA有取代ASIC的趋势，将是Xilinx 坚守的领域。
FPGA开发周期比ASIC低55%，可用于快速抢占市场。
这可能是Lattice在大批量消费电子市场最重要的赢家。
Intel旗下Altera FPGA的最终目标应该是利用其在高性能、低功耗和深度学习方面的优势，最终融入到CPU技术中，实现异构计算数据中心的未来。
从资本市场来看，紫光集团刚刚完成了对Lattice的小额投资。
Lattice（LSCC）目前在纳斯达克上市，总市值不超过8亿美元。
与Altera 1亿美元的收购价格相比，这样的实体Volume是一个理想的收购目标。
全球只有四家 FPGA 公司（Xilinx、Altera、Lattice 和 Microsemi）。
英特尔收购了Altera。
赛灵思作为行业龙头，暂时不会卖，剩下的两个如果稀缺标记卖的话，一件就少卖一件。
趁着进入iPhone 7供应链的机会，不知道今年Lattice的市值会不会暴涨，成为大佬们争夺的对象。
不过，美国政府似乎很可能不会批准中国企业收购拥有此类关键技术的敏感企业。
因此，中国本土FPGA企业必须努力尽快替代进口，摆脱受制于人的局面。
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