文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
開源，是一個(gè)熱詞。
前幾年，開源架構(gòu)RISC - V 橫空出世，憑借其開放特性，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域攪起層層巨浪。
年初，開源大模型DeepSeek 重磅登場，為AI再填一把火。
如今，這股熱浪已經(jīng)沖擊到了FPGA。
01 全球首款開源FPGA，正式發(fā)布
近日，美國半導(dǎo)體初創(chuàng)公司Zero ASIC 宣布推出世界上第一款開放標(biāo)準(zhǔn) eFPGA IP 產(chǎn)品Platypus。
據(jù)該公司介紹，Platypus是首個(gè)且目前唯一的商業(yè)eFPGA IP產(chǎn)品，具備以下三大特點(diǎn)：采用100%開放和標(biāo)準(zhǔn)化的FPGA架構(gòu)；提供100%開源的FPGA比特流格式以及配備100%開源的FPGA開發(fā)工具。
Zero ASIC的前身可追溯至2008年成立的Adapteva，該公司專注于并行處理器研發(fā)。2020年，原Adapteva創(chuàng)始人Andreas Olofsson重新組建團(tuán)隊(duì)，將公司更名為Zero ASIC，并獲得美國政府資金支持，專注于可組合芯片平臺研發(fā)。
此前，Olofsson曾主導(dǎo)DARPA的CHIPS項(xiàng)目（通用異構(gòu)集成與IP重用策略），為后續(xù)技術(shù)路線奠定基礎(chǔ)。
據(jù)悉，Zero ASIC 正在構(gòu)建世界上第一個(gè)可組合芯片平臺，使數(shù)十億個(gè)獨(dú)特的硅片系統(tǒng)能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)從現(xiàn)成的芯片目錄中組裝出來。
那么，什么是開源FPGA？開源FPGA又有哪些意義？
開源FPGA是指其硬件設(shè)計(jì)、工具鏈或相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)以開源形式發(fā)布的FPGA技術(shù)。與傳統(tǒng)FPGA（由Xilinx、Intel等公司主導(dǎo)的閉源商業(yè)產(chǎn)品）不同，開源FPGA的代碼、架構(gòu)或開發(fā)工具對公眾開放，允許用戶自由修改、定制和共享。
開源FPGA的典型形式包括開源工具鏈、開源硬件架構(gòu)以及全開源FPGA設(shè)計(jì)等。
談到開源FPGA的優(yōu)勢：
首先在成本方面，開源的FPGA可幫助開發(fā)者避免依賴商業(yè)公司的高昂授權(quán)費(fèi)和工具訂閱成本。
在定制化方面，開發(fā)者可修改FPGA架構(gòu)或工具鏈，適應(yīng)特定需求（如定制指令集、優(yōu)化功耗），并且開發(fā)的速度也可以明顯加快。
在安全性方面，傳統(tǒng)FPGA依賴單一廠商的工具鏈和芯片，開源生態(tài)支持多平臺兼容性。
在生命周期方面，商業(yè)FPGA可能因廠商停產(chǎn)而淘汰，開源項(xiàng)目可由社區(qū)維護(hù)，延長硬件壽命。
02 開源FPGA，非一日之功
過去 25 年來，人們曾多次嘗試開放 FPGA。
日本大阪大學(xué)便是開源FPGA項(xiàng)目的一個(gè)重要參與者。
1997 年5 月，通用布局布線 (VPR) 開源 FPGA 研究平臺問世，自此幫助降低了高質(zhì)量、可重復(fù)的 FPGA 研究的門檻。
日本大阪大學(xué)LNIS團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)開源的、全面的FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)框架—OpenFPGA。它在GitHub上開源，支持高度定制化的FPGA架構(gòu)，提供了從Verilog到比特流的一站式解決方案，非常適合芯片設(shè)計(jì)師和研究人員。它采用MIT許可證分發(fā)，核心代碼庫外的一些子模塊（如VTR、Yosys及Yosys插件）遵循各自許可條款。
OpenFPGA的核心便是VPR工具，它負(fù)責(zé)FPGA的布局和布線。VPR采用了先進(jìn)的算法，可以優(yōu)化邏輯塊的布局、路由資源分配以及功耗控制。通過開放源代碼，開發(fā)者可以直接參與到VPR的改進(jìn)中，推動其性能和效率不斷提升。
該項(xiàng)目的核心功能：
- Verilog至Bitstream生成：允許用戶將設(shè)計(jì)直接編譯成特定FPGA的配置位流。
- 自定義FPGA架構(gòu)：支持創(chuàng)建和驗(yàn)證個(gè)性化FPGA結(jié)構(gòu)，推動FPGA設(shè)計(jì)的創(chuàng)新邊界。
- 自我測試與驗(yàn)證：集成的驗(yàn)證工具確保設(shè)計(jì)的正確性，減少錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。
- 敏捷原型制作：提供快速原型制作環(huán)境，加速研究和開發(fā)周期。
值得注意的是，VPR 仍然只是一個(gè)研究工具，商用 FPGA 仍然沒有完全開放的 RTL 到位流程。
為了解決缺乏完全開放的 FPGA 設(shè)備的問題，DARPA 于 2018 年資助了 OpenFPGA 和 PRGA FPGA 生成器研究項(xiàng)目。
雖然這些開源生成器促進(jìn)了幾種學(xué)術(shù)芯片的流片，但最終的設(shè)計(jì)既沒有標(biāo)準(zhǔn)化，也沒有商業(yè)化。
市場上也始終沒有出現(xiàn)一款開放、標(biāo)準(zhǔn)化的商業(yè) FPGA 產(chǎn)品。
隨著 Platypus eFPGA 系列的推出，Zero ASIC 通過在開源 Apache 許可下公開發(fā)布其商用 Z1000 eFPGA IP 的完整架構(gòu)描述和比特流格式，向標(biāo)準(zhǔn)化 FPGA 邁出了重要的一步，目標(biāo)是使其成為一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)。
此外還有不少機(jī)構(gòu)，在開源FPGA領(lǐng)域的其他方面，伸出觸角。比如：FINN（Fast INtegration of Neural Networks）是一個(gè)由Xilinx開發(fā)的開源項(xiàng)目，專注于在FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）上實(shí)現(xiàn)高效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。FINN利用FPGA的并行處理能力，能夠顯著加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過程，特別適用于邊緣計(jì)算和實(shí)時(shí)應(yīng)用場景。
SymbiFlow 也是一個(gè)開源的 Verilog 到比特流 FPGA 綜合流程，目前面向 Xilinx 7 系列、Lattice iCE40 和 Lattice ECP5 FPGA。該項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)高度可擴(kuò)展和多平臺的工具。開源項(xiàng)目SymbiFlow通過社區(qū)協(xié)作，已支持多款FPGA的開源工具鏈，打破了傳統(tǒng)EDA工具的壟斷。
Microsemi 于 2017 年開始在其 FPGA 中提供 RISC-V 軟核，Lattice 于 2020 年開始提供，英特爾 (Altera) 于 2021 年開始提供，因此 Xilinx 是最后一家這樣做的主要供應(yīng)商，其在2024年5月才開始提供。
03 開源MCU，趟出一條路
除了FPGA之外，開源趨勢正在向更多類型的芯片領(lǐng)域滲透。
2019年10月，在烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)大會上，阿里巴巴旗下芯片公司平頭哥宣布開源低功耗微控制芯片（MCU）設(shè)計(jì)平臺。自此，平頭哥成為了國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)芯片平臺開源的企業(yè)。
與開源FPGA的優(yōu)勢類似，開源MCU具有更高的靈活性和開放性，降低了進(jìn)入嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的門檻，使得小型團(tuán)隊(duì)或個(gè)人開發(fā)者也能夠接觸和使用先進(jìn)的MCU技術(shù)，與此同時(shí)。開源MCU的靈活性有助于更好地適應(yīng)不同的市場需求和應(yīng)用場景。
MCU 可分為 4 位、8 位、16 位、32 位。不同位數(shù)的 MCU 適用于不同領(lǐng)域，位數(shù)越高，MCU 的數(shù)據(jù)處理能力越強(qiáng)，越適用于復(fù)雜的應(yīng)用場景。自上世紀(jì) 70 年代 MCU 問世至今，8 位 MCU 一直占據(jù)市場主流。隨著物聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)的發(fā)展和 32 位 MCU 成本競爭力的提升，32 位 MCU 需求快速增長，2015 年起全球 32 位 MCU 出貨量超過 4 位、8 位、16 位 MCU 出貨量的總和。
如今，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展。在此背景下，絕大部分 IoT 設(shè)備都需搭載下一代 MCU 芯片，實(shí)現(xiàn)傳感、通信、信息處理、計(jì)算、下達(dá)控制指令等復(fù)雜任務(wù)。具備 AI 能力和云端接入能力是下一代 MCU 芯片與傳統(tǒng) MCU 芯片最大的不同。
基于 RISC-V 指令集架構(gòu)的 MCU 是一個(gè)全新的市場。
近年來，RISC-V MCU發(fā)展迅速。由于其開放性和靈活性，使得它在物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、汽車電子、工業(yè)控制，以及其他緊湊型、低功耗和成本敏感型嵌入式系統(tǒng)中有大量的應(yīng)用。特別是汽車電子，被認(rèn)為是未來RISC-V MCU最有發(fā)展?jié)摿Φ氖袌觥?/strong>
根據(jù)SHD集團(tuán)的統(tǒng)計(jì)，2023年，全球基于RISC-V內(nèi)核的SoC產(chǎn)品出貨量是12.6億顆，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到20億顆，到2031年將會突破200億顆。其中，出貨量占比最大的是MCU，2023年RISC-V MCU出貨量為6.17億顆，預(yù)計(jì)到2030年，出貨量可達(dá)73億顆，年復(fù)合增長率為42.4%。
RISC-V MCU的國內(nèi)外供應(yīng)商和產(chǎn)品在近年來也得到了顯著的發(fā)展，不少企業(yè)已經(jīng)推出了基于RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品，比如說兆易創(chuàng)新在2019年就推出并量產(chǎn)了基于RISC-V內(nèi)核的32位通用MCU產(chǎn)品；瑞薩電子也推出了RISC-V MCU，比如R9A02G021；樂鑫科技則通過自研的RISC-V 32位處理器，推出了多款支持AI功能的MCU產(chǎn)品。另外，高通、英偉達(dá)、英飛凌等公司也在積極開發(fā)基于RISC-V的解決方案。
近日，英飛凌宣布，將在未來幾年內(nèi)推出基于RISC-V 的全新汽車MCU系列，引領(lǐng)RISC-V在汽車行業(yè)的應(yīng)用。
04 開源FPGA，給國產(chǎn)公司帶來哪些利好？
相較于MCU，F(xiàn)PGA的開源之路尚處早期。但是從MCU的發(fā)展路徑中，有望一窺FPGA的未來走向。
首先，看看FPGA與MCU的相似之處與不同之處。
從產(chǎn)品特性來看，FPGA與MCU均為可編程芯片，但實(shí)現(xiàn)方式不同。MCU通過軟件編程實(shí)現(xiàn)功能，適合執(zhí)行固定任務(wù)（如傳感器控制、簡單算法）；FPGA通過硬件邏輯重構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能，支持并行計(jì)算與復(fù)雜算法加速，靈活性更高。
從應(yīng)用場景來看，MCU具有低功耗、低成本的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電、消費(fèi)電子等簡單控制場景；FPGA適用于高性能計(jì)算（如5G信號處理、AI推理）、硬件加速及原型驗(yàn)證等復(fù)雜場景。
從開發(fā)門檻來看，MCU開發(fā)依賴C/C++編程，工具鏈成熟，入門門檻低。FPGA需掌握硬件描述語言（HDL），設(shè)計(jì)流程復(fù)雜，對工程師要求較高。
再看開源FPGA的未來走向，當(dāng)前FPGA屬于早期探索階段，GitHub等平臺正在涌現(xiàn)大量開源IP核，相應(yīng)的工具鏈正逐步成熟。針對AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的需求，開源FPGA可加速定制化解決方案落地。
開源FPGA是否會成為未來趨勢？對國產(chǎn)FPGA公司又有哪些利好？
對于國產(chǎn)公司來說，就如上文的分析，開源降低技術(shù)壁壘，吸引全球開發(fā)者參與，加速技術(shù)迭代，并且開源FPGA還可減少對國際廠商IP的依賴。
詳細(xì)分析來看：
在技術(shù)創(chuàng)新方面，開源社區(qū)貢獻(xiàn)IP核，國產(chǎn)廠商可快速集成，縮短產(chǎn)品上市周期；開源工具鏈還支持硬件剪裁，國產(chǎn)FPGA可針對特定場景（如邊緣計(jì)算）優(yōu)化功耗與性能。
在降低成本方面，開源EDA工具可替代昂貴商業(yè)工具，降低研發(fā)成本。復(fù)用開源IP減少重復(fù)開發(fā)，聚焦核心技術(shù)創(chuàng)新。
因此，開源FPGA正是給國產(chǎn)FPGA廠商提供了一條差異化競爭的路線。寫到這里，或許會有人發(fā)問，既如此，為何開源FPGA的發(fā)展要比MCU慢得多？
眾所周知，開發(fā)FPGA是一件難事，其硬件設(shè)計(jì)門檻高、開源工具鏈存在性能瓶頸、生態(tài)系統(tǒng)碎片化、主流FPGA廠商盈利模式的影響均會阻礙開源FPGA的前進(jìn)步伐?？梢源_定的是，開源FPGA可能成為硬件創(chuàng)新的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，但還需業(yè)內(nèi)各界做出更多努力。
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