【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘攻愚】

2015年3月19日，美國司法部在官方網(wǎng)站上發(fā)布了一則新聞稿：“舊金山一男子及其公司因向俄羅斯走私精密電子元件而被起訴?！?

經(jīng)查，已經(jīng)入籍美國的俄羅斯裔Pavel Flider因通過第三方走私“受控的兩用可編程計算機芯片”，涉案金額高達6000萬美元而被舊金山聯(lián)邦大陪審團起訴。

彼時，恰好是俄羅斯從烏克蘭手中奪回克里米亞一周年。

以事后之見來看，克里米亞事件為七年后俄烏爆發(fā)全面軍事沖突埋下了伏筆?？梢哉f，Pavel Flider為俄羅斯儲備了一批價值不菲的軍用物資。

他所走私的6000萬物品中，主要的品類是可編程計算機芯片即FPGA，號稱“萬能芯片”。在今天的俄烏戰(zhàn)場上，F(xiàn)PGA甚至一度成為“戰(zhàn)爭芯片概念股”的主角。

根據(jù)好事者對戰(zhàn)場遺址打掃和武器拆解，今年7月，在基輔 Okhmatdit，俄羅斯Kh-101火箭的導航系統(tǒng)使用了Xilinx（賽靈思）的FPGA芯片；類似但更先進的FPGA也出現(xiàn)在“柳葉刀”無人機中。俄羅斯Iskander和Calibre-PL巡航導彈的導航中大量使用全球兩大FPGA巨頭Xilinx和Altera的產(chǎn)品。

從柳葉刀無人機上拆卸下來的Xilinx的FPGA

對俄羅斯抱有敵意的媒體Insider報道，號稱俄高科技工業(yè)心臟的米克朗Mikron Group其產(chǎn)品型號中只有兩種FPGA型號，不得不高度依賴進口。

在以美國為首的西方對俄羅斯半導體全面斷供的情況下，俄方通過中亞等第三方中轉(zhuǎn)站和之前的庫存依然可以維持戰(zhàn)爭所需的“工業(yè)糧食”的周轉(zhuǎn)。從2022年到2024年，即戰(zhàn)爭開始后的兩年里，Xilinx和Altera流向俄羅斯的FPGA總價至少分別為2.16億美元和1.2億美元。

俄羅斯“特種技術(shù)中心”公司發(fā)布的FPGA工程師招聘信息

戰(zhàn)爭形態(tài)可以檢驗一國關(guān)鍵物資儲備的生產(chǎn)力和動員力。戰(zhàn)場上廝殺后的余燼往往埋藏著勝負手的解碼器。AI大潮洶涌澎湃之下，看似處境有些尷尬的FPGA以戰(zhàn)立身，在某種層面上可以迫使業(yè)界重新思考CPU、GPU、FPGA\ASIC這些高算力芯片在各類型產(chǎn)品價值鏈中的地位，以及探討如何進一步優(yōu)化軍工半導體生態(tài)，提升相關(guān)供應(yīng)鏈的健康度。

FPGA的坐標系：非中心，但也絕非邊緣

何謂FPGA？Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列?，F(xiàn)場和可編程是其稱謂的兩個關(guān)鍵詞。

先說可編程。通過非門、與非門、或非門的有序堆疊，F(xiàn)PGA可實現(xiàn)任意功能的數(shù)字電路，所有組合電路都有對應(yīng)的真值表，F(xiàn)PGA的可編程邏輯塊中的LUT（查找表，Look Up Table），可以完成任意組合電路的功能。

再說“現(xiàn)場”。FPGA底層邏輯運算單元的連線及邏輯布局沒有固化，這可以使得客戶在拿到芯片后，通過本地或者遠程配置的現(xiàn)場實現(xiàn)自己符合需要的功能。

FPGA于1985年由Xilinx創(chuàng)始人Ross Freeman發(fā)明，至今約有40年歷史。FPGA和CPU、GPU同屬于大型數(shù)字芯片序列。

這里請注意，F(xiàn)PGA的可編程特性是特指它的硬件可編程，這是其區(qū)別于CPU和GPU的顯著特性。

通過對FPGA原理架構(gòu)的拆解我們可得知，只需要改變FPGA中LUT的掩碼，F(xiàn)PGA就可以承載另一個電路的功能，而且能無限次的修改。FPGA內(nèi)部往往由數(shù)十萬個可編程邏輯塊可以同時獨立工作，有效解決時鐘頻率高低起伏的問題，特別適合大型并行計算的場景。

我們可以用數(shù)學上著名的戴德金數(shù)來看看FPGA的威力。

在普通筆記本電腦上計算第八個戴德金數(shù)需要八分鐘，但計算第九個則需要數(shù)十萬年。帕德博恩大學的計算機科學博士生Lenart Van Hirtum在FPGA超級計算機的幫助下，這個問題在五個月內(nèi)就得到了解決。

從架構(gòu)上看，F(xiàn)PGA相比CPU和GPU，在某些領(lǐng)域的應(yīng)用有著無可比擬的優(yōu)勢。

CPU的一項重大任務(wù)就是負責任務(wù)調(diào)度，在處理多線程任務(wù)時，不可避免地出現(xiàn)任務(wù)越多算的越慢的現(xiàn)象，所以任務(wù)率越高時延越長，而FPGA由于在布局布線階段不需要重排執(zhí)行順序和指令調(diào)度，其處理時延和利用率大小基本是無關(guān)的，因此，F(xiàn)PGA非常適合低時延、需要現(xiàn)場可編程的場景。

生成式AI帶火了GPU，讓英偉達這個賣鏟人市值一路水漲船高。業(yè)界普遍認為，更適合并行計算的GPU在AI訓練和推理方面的負載難以被替代，取代了CPU，坐上了通用高算力處理類型芯片的頭把交椅。但是任憑英偉達CEO黃仁勛無論怎樣變換話術(shù)兜售GPU“買的越多越省錢，買的越多越節(jié)能”，GPU的功耗依然是個大問題，因其無法很好地利用片上內(nèi)存，需要頻繁讀取片外的DRAM。

被GPU吹上產(chǎn)業(yè)風口的HBM（高帶寬內(nèi)存）恰恰說明了GPU需要HBM這樣一個需要被封裝在一起的“外掛”。而FPGA整個算法無需存儲外掛，整個算法可以在片上完成，特別適用于小樣本推理和邊緣計算。

問題來了，既然FPGA相較CPU和GPU都有相當鮮明的優(yōu)點，為何在PC時代和移動通信時代都沒能成為處理器的主角？

從市場規(guī)模角度也能看出端倪。2022年FPGA全球市場規(guī)模區(qū)區(qū)80多億美元，中國區(qū)市場不到210億人民幣。FPGA的產(chǎn)品特性決定了它無法完成像CPU那樣的更通用性的調(diào)度安排處理功能，也無法像GPU那樣做到大規(guī)模并行計算和AI訓練。

而且，F(xiàn)PGA的地盤正在越來越受到ASIC——特定用途集成電路的侵蝕。和CPU、GPU、FPGA相比，ASIC的通用性和靈活性最差，但主打一個專精、高效和低功耗。

誠然，F(xiàn)PGA因為“現(xiàn)場”可用，相比ASIC，F(xiàn)PGA無需等待三個月至一年的流片周期，上市時間短，對于消費電子這類競爭激烈、迭代迅速的行業(yè)尤其重要。但ASIC更符合AI時代這種scale law的大力出奇跡模式，因此在技術(shù)非常成熟且利潤率非常低的產(chǎn)品是殺手般的存在，只要保證設(shè)計上的技術(shù)成熟，就可以抵消一次性量產(chǎn)帶來的流片昂貴（ASIC因其硬件不可編程，流片失敗意味著一批產(chǎn)品都要廢掉）的問題，可以大規(guī)模上量，有著更低的功耗，更豐富的封裝選擇和更優(yōu)的TCO（芯片設(shè)計、制造總成本）性價比。

從現(xiàn)實市場層面上也可以看到FPGA的命運之坎坷。

2015年，英特爾以167億美元收購當時的FPGA領(lǐng)域龍頭企業(yè)Altera，隨后形成了現(xiàn)在的PSG部門。2022年，AMD宣布以全股份交易的方式，完成對最大FPGA廠商Xilinx的收購，按當時雙方股票價格，交易金額達到350億美元。

今年FPGA再次成為媒體熱議的焦點，一大原因是因為英特爾決定拆分PSG部門，讓Altera重新單飛上市。當年在FPGA市場呼風喚雨的Altera被CPU大佬呼來喚去，聚而終散，根本原因在于當年的“CPU+FPGA”異構(gòu)整合計算的野望無法達成預(yù)期，在數(shù)據(jù)中心和云計算方面未能發(fā)揮強強聯(lián)手的優(yōu)勢，最終以英偉達GPU大獲全勝收場。

此外，由于Altera在緊跟摩爾定律方面裹足不前，10nm工藝以下平臺被Xilinx穩(wěn)穩(wěn)碾壓，五年來市場份額從超過40%掉到了24%左右。

即便如此，AMD收購Xilinx雖然整合程度高于英特爾，也未達到當年在數(shù)據(jù)中心市場上的全面預(yù)期。大局形勢所迫，Xilinx目前已經(jīng)不是一個純FPGA公司，還提供很多板級服務(wù)，尤其是高集成的SoC產(chǎn)品以進一步增強客戶黏性。

從整體市場前景上看，我們也必須認識到，在AI產(chǎn)業(yè)炸裂的時代，F(xiàn)PGA依然無法“挑班”運營，反而讓ASIC乘勢迅速崛起。

目前半導體行業(yè)形成了一個基本的共識，未來芯片設(shè)計將更加專業(yè)化，專用芯片ASIC會得到更廣泛的部署與應(yīng)用，目前對英偉達GPGPU通用計算平臺挑戰(zhàn)最大的就來自LPU/TPU，一個典型的例子就是谷歌的TPUv4集群已經(jīng)廣泛進入到超算行業(yè)，并且讓蘋果的AI項目拋棄了英偉達高端AI加速器而選擇了谷歌TPU。

作為一種ASIC的TPU，沒有不必要的邏輯和路由開銷，邏輯控制單元更小、更容易設(shè)計，只占整體芯片面積的2%，給片上存儲器留下了更多的空間。

總之，F(xiàn)PGA雖然在各個時代的風口都無法站在的舞臺的最中央，但它卻像一個可隱可現(xiàn)的，內(nèi)力十足的江湖豪俠守住自己的一畝三分地?？涩F(xiàn)場重構(gòu)、靈活性、快速迭代、低延時，以及適合某單一應(yīng)用場景的小批量生產(chǎn)，等等均是它的殺手锏，這也是其戰(zhàn)略地位的最佳表達。