图片来源：摄图网

在信息时代飞速发展过程中，消费类产品迭代速度的加快，促使人力、材料等成本持续上涨，也为工厂生产带来了持续的压力。这种制造产业风向的变化及产品个性化需求的增加，对相关企业提出了更高的要求。基于此，以物联网和智能制造为核心的第四次工业革命正悄然来袭。

2011年，德国率先提出“工业4.0”概念，此后美国也推出工业物联网等类似概念。但无论是工业4.0还是工业物联网，其主要重叠的部分都是智能与物联，也说明全球化工业正在加速转型。

工业4.0，是德国与工业界为制造业制定的未来蓝图，也是工业转型升级的指路明灯。将互联网引入到车间和厂房内，让数据通过网络在各个机器和设备之间流通，发挥数据最大的价值，这是一场伟大的工业革命。

与传统工业相比，或者说与工业1.0、2.0、3.0相比，工业4.0的核心是物理信息系统的集成，以物联网、云计算等新兴技术为底层支柱，通过生产机器、设备与管理系统相连接，间接将企业与价值链水平整合，实现工业的自动化管理，迈入智能制造。

工业转型历程（图片来源：集成灶网）

当然，在底层技术不断迭代更新的过程中，工业4.0的市场价值也在不断爆发出来。据

Markets and Markets最新市场研究显示，2019年，全球工业4.0市场规模预计为717亿美元，到2024年，其市场规模将达1566亿美元，期间复合增长率为16.9%。

在市场的强劲推动下，当下的工业应用主要表现出以下几大趋势：第一，工业网络正在向以太网转移；第二，工业系统集成度提高，资源利用率提升；第三，工业控制对于安全性的要求增高。此外，还有时延、功耗、灵活性等要求，为传统CPU、ASIC等处理器带来了新的挑战。

在工业4.0的大部分应用场景中，对于边缘智能的硬件加速提出了新的需求，要求更低延迟的数据处理能力。另一方面，新设备需要具有可重新编程的能力，以应对标准或者协议的演变。此外，智能工厂的建立离不开大数据处理等技术的应用，这些要求促使智能工厂使用的SOC必须引进新的架构。

具有优秀数据处理、加速功能的FPGA成为智能工厂新的选择。FPGA，是一种数字芯片，翻译过来又叫可编程逻辑器件，其内部主要由IOB（输入输出模块）、CLB（可配置逻辑模块）、时钟管理模块、嵌入式块ARM、丰富的布线资源等部分组成。

FPGA器件内部结构图（图片来源：腾讯架构师）

可以看到，FPGA内部连线可以将最小的逻辑单元连接成更大的逻辑功能单元，由IOB连接完成信号的输入输出。它与CPU、GPU、DSP等处理器工作方式有着本质不同，它不需要通过获取指令、解码指令等繁琐步骤工作，而是在芯片内部通过真值表作为器件画电路图，所以它的本质属于硬件开发。

另外，FPGA最大的特点就是可重复编程、并行计算能力强，灵活性上高于专用芯片ASIC，性能和实时处理能力优于CPU，但编译难度较高，应用开发门槛偏高，并不适合大规模应用（详细对比如下图）。

四类主流芯片对比（芯师爷制图）

由于FPGA能根据新的版本进行方便的再编程，并可进行现场再编程，所以它对周期更长的工业产品也非常有利。有业者指出：“FPGA工艺不需要最低预订数量，寿命更长，这是令其独树一帜的重要原因。许多采用ASIC产品设计五年之久的工业客户现在都用FPGA来代替ASIC。”

此外，据一位下游应用端的工程师表示，FPGA在工业控制领域有着不可替代的作用，特别是涉及到一些运动控制算法，及图像识别算法。

在加速转型的工业领域，FPGA大有取代ASIC的趋势，提供更灵活的解决方案，特别是在工业通讯、电机控制、机器视觉、边缘计算、工业机器人等应用场景。

传统的工业通信，主要考虑小范围内的设备连接层数据传输与交换，各工业以太网之间的传输协议并不相同，无法完全兼容。工业物联网与外界通信不同，它是一个非常封闭的网络，对数据的实时性、可确定性、安全性及可靠性等有非常严格的要求。工业4.0时代，则要求所有的传输协议相同。

SOPC工业以太网控制器硬件结构（芯师爷制图，信息来源：weeqoo）

而在工业转型的过程中，FPGA或将成为产业快速发展的迭代手段。在这个过程中，不同通信协议标准还会共存很久，各设备之间的数据转换需要一个非常灵活的转换介质，FPGA将有望成为首选目标。

当前，电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，FPGA芯片固有的可编程性和并行处理能力十分适合高端产品的电机控制，尤其是工业领域。FPGA以硬件方式进行并行处理，并不占用CPU资源，可以促使系统性能达到最大化。目前很多FPGA厂商会将一些优化算法整合到FPGA中，可以基于FPGA器件，通过一个平台实现多个电机控制，极大程度的提高了能源的利用效率。

在机器视觉方面，目前主流的工业相机解决方案，仍是基于X86的通用软件方案，即前端摄像头采集图像，图像处理部分在PC或PLC中通过软件算法完成，但由于CPU的计算性能有限，对于计算复杂度很高的视觉算法（如基于SIFT特征点的目标识别和跟踪），其处理速度难以满足系统实时性的需求。GPU的并性计算能力很高，可以较好提高计算速度，但功耗高、体积大也是其明显的劣势。综合来看，随着FPGA集成度越来越高，可实现实际的规模越来越大，功耗越来越低等趋势，基于FPGA的嵌入式视觉系统将成为机器视觉发展的重要方向。

相较于集中式存储、处理的云计算，边缘计算可以为工业控制提供更明显的效率和灵活性。FPGA 相比其他异构处理器更适配边缘计算场景，与GPU相比，FPGA可以大幅优化带宽，不占用CPU资源。而FPGA在工业领域所要求的低延时和稳定性上也具备天然的优势。一方面，FPGA上集成了大量缓存和外部DRAM接口，减少了计算过程中与CPU的交互。另一方面，FPGA可实现基于 MIMD（并行指令和并行数据）设计，实现中间数据在流水线之间传递和交互，减少对缓存的依赖，降低数据传输延迟。

图片来源：摄图网

在工业机器人应用方面，FPGA内部丰富的布线资源、嵌入式专用IP、基本可编程逻辑单元等使其可以同时处理不同种类的任务，实现更加灵活性的同时满足一些高速接口的时序要求，这些都是工业机器人实现控制功能必备的条件。

除了以上五大应用场景外，FPGA还被用于工业云、显示控制等工业领域。可以看到，FPGA所提供的灵活性、优秀的并行计算性能可以帮助工业领域在实现智能化、高性能等能力的条件下，极大程度的降低成本、功耗等，这些都是FPGA未来在工业领域发展的良好契机。

工业转型升级为FPGA应用开辟了新的处女地。据MRFR统计，2019年全球FPGA市场规模为69亿美元左右，其中工业领域占比大约为12%，市场规模约为8.3亿美元。预计到2025年，全球FPGA在工业市场应用占比将增长至19%，市场规模突破20亿美元。

据观研天下最新研究数据显示，2019年中国FPGA市场规模约为187.5亿元，其中工业市场应用占比约为28%，市场规模约为52.5亿元，预计2025年，FPGA在中国工业领域的市场规模将达至100亿元。

芯师爷制图（数据来源：观研天下）

从行业发展趋势来看，中国工业市场对于FPGA的需求，略高于全球，这也为本土FPGA发展带来了新的机遇。然而，在中国FPGA市场中，早已形成Xilinx和Altera双寡头的局面，两者市场占比高达52%和28%，从技术到知识产权等方面，国产FPGA厂商面临着不小的挑战。

一位网名为“清霜一梦”的专业人士对芯师爷表示：“国产FPGA目前仍处于起步阶段，企业在判断FPGA器件性能时，重点不在于看FPGA器件有多少LUT，这种硬件堆砌的模板设计难度并不大，相配套的EDA软件和相应的IP才是选择FPGA性能的重要参数。如LUT可以达到多少利用率，时钟网络能否很好的适配，器件对应的IP是否稳定，兼容性如何等等，这些方面才是国产FPGA需要提升的重点。”

在如此多的挑战之下，国产FPGA厂商该如何突破？抓住FPGA在工业转型升级过程中的红利呢？

国产FPGA领导厂商紫光同创市场总监吕喆表示：“工业市场是FPGA在通信市场之外的第二大应用市场，覆盖面广、生命周期长、实时处理和灵活性要求高。传统的工业市场应用主要集中在IO单元控制、工业通讯、马达驱动、伺服电机控制、人机界面等领域，在工业4.0浪潮推动下，新兴的工业需求正在涌现，比如新的工业通讯协议、传感器融合、机器视觉、边缘计算、工业云计算加速等，都是FPGA新的应用方向。紫光同创已经推出针对工业领域的小型CPLD和中小规模FPGA产品，在工业级IO扩展、伺服马达驱动和控制、EtherCAT通讯、图像视频处理、安防监控、高清细间距LED控制卡、高清电视显示控制等方面都有成熟的解决方案，并已在多家国内知名设备厂商成功导入并量产发货。针对未来新兴的市场方向，我们也在积极规划布局更高端的FPGA产品和系统平台方案，满足工业市场多样化的需求。”

图片来源：摄图网

当然，国产FPGA也并非没有机会，它的优势也非常明显。据一位应用端工程师表示：“FPGA开发过程可能会碰到诸多难点，比如代码移植、资源优化、时序优化等等，所以他们选择国产FPGA时，首先关注国产厂商实力，包括产品性能、品质、软件能力、长期持续稳定供货能力，其次关注技术支持实力和解决方案，以及本土团队能否及时响应客户需求，协助客户完成项目。”

犹记得，去年参加慕尼黑电子展的时候，一家下游企业负责人表示：“还是期待国产FPGA能够取得更好的成绩，建立独立自主、完整可控的产业链。”对于国产FPGA厂商推出的新产品，他们也会尝试使用，给予支持。

另外，据紫光同创市场总监吕喆透漏，紫光同创的产品除了在通信、工业和消费等领域的系统厂商顺利导入并量产发货外，也开始逐步建立和带动下游产品和解决方案应用和开发生态，与多家行业内的专业合作伙伴建立合作关系，包括推出ARM Cortex-M1软核解决方案、EtherCAT主站解决方案、专业的低成本评估和学习开发板卡套件、针对各垂直领域的IP解决方案等。同时，公司也在积极推动与新兴市场的专业方案商的战略合作，推进大学计划培育国产FPGA开发生态，扩展与高校的产学研合作模式，携手客户和合作伙伴推动基于国产FPGA方案的创新，并逐步得到国内FPGA应用生态的认可，同时也期待与更多的合作伙伴建立合作共赢的关系。

当下，国产FPGA正处于突破核心应用领域（如通信、工业等领域），单纯追求LUT的规模，已经不再是FPGA未来的发展重点。“未来的FPGA会集成越来越多的异构单元，对先进节点上实现强大的计算性能、超高的存储带宽能力和I/O处理能力有着高要求，同时也会带来更高成本和功耗的挑战。”一位行业人士如是说道。

在挑战中寻求机遇，在封锁中突破重围，国产FPGA想要立足，必须要搭建完整的生态系统，其中EDA软件、丰富的IP库、材料、设备等缺一不可。只有建设完善的生态系统，才能针对不同的应用场景、市场环境，灵活应对。

工业加速转型为国产FPGA赋予了无限可能，但也带来了更多的挑战。接下来，期待国内能够涌现出更多优秀的FPGA产业链企业，从设计、制造、封测等全产业链打破国外厂商在高端应用垄断的局面。

本文转载自芯师爷。