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雷鋒網按：本文作者半導體行業聯盟，文章主要介紹了iPhone7中所采用的FPGA芯片，并介紹了FGPA芯片的發展歷史。
這幾天蘋果iPhone7已經正式開售，位于加州圣路易斯·奧比斯堡的iFixit團隊將iPhone 7 Plus“大卸八塊”，其拆解圖片及解說報告迅速占領了全世界的科技媒體。在這份拆解報告中，我們驚奇地發現了一個新成員。
iPhone 7 Plus的主板集成了一顆非常小的FPGA，尺寸為2mmx2mm。這顆芯片正是Lattice公司在幾年前推出的iCE40的低密度低功耗小封裝FPGA，型號為iCE5LP4K，密度為3.5K LUT-4等效邏輯資源。其周圍器件包括音頻CODEC、音頻放大器、分集接收器加上其背面的大氣壓力傳感器、NFC控制器、WIFI/藍牙等控制器。
經過某些技術人士的猜測，這顆FPGA放在這里所實現的功能，可能是Sensor HUB的功能，就是將多種傳感器匯聚預處理（可能包含總線控制、總線轉換、時分復用、接口轉換等功能模塊），在必要的時候再與主處理器CPU進行數據交互和進一步的運算，減少主處理器CPU相關模塊的監控及運算頻度，從而降低功耗、提升處理性能。
當然也有另外一些技術人士對此有不同意見，他們認為這顆FPGA的主要作用是用于USB Type C的控制，目前由于標準等原因，還沒有ASSP廠商提供完整的解決方案，而Lattice利用FPGA的特性，率先成為USB Type C供應商之一。這也是FPGA相比較ASSP的優勢，既加快上市周期，幫助客戶節約時間成本。當然在蘋果或者Lattice公開設計意圖之前，這些都只是猜測。
iPhone7 Plus拆解元器件目錄如下：
Apple/Cirrus Logic 338S00105 Audio Codec
Cirrus Logic 338S00220 Audio Amplifier(x2)
Lattice Semiconductor ICE5LP4K FPGA
Skyworks 13702-20 Diversity Receive Module
Skyworks 13703-21 Diversity Receive Module
Avago LFI630 183439
NXP 610A38
Apple A10 Fusion APL1W24 SoC
Samsung 3 GB LPDDR4 RAM
Qualcomm MDM9645M LTE Cat. 12 Modem
Skyworks 78100-20
Avago AFEM-8065 Power Amplifier Module
Avago AFEM-8055 Power Amplifier Module
Universal Scientific Industrial O1 X4
Bosch Sensortec BMP280 Barometric Pressure Sensor
Toshiba THGBX6T0T8LLFXF 128 GB NAND Flash
Murata 339S00199 Wi-Fi/Bluetooth Module
NXP 67V04 NFC Controller
Dialog 338S00225 Power Management IC
Qualcomm PMD9645 Power Management IC
Qualcomm WTR4905 Multimode LTE Transceiver
Qualcomm WTR3925 RF Transceiver
TDK EPCOS D5315
Texas Instruments 64W0Y5P
Texas Instruments 65730A0P Power Management IC
Lattice的FPGA器件之前從未進入過蘋果的供應鏈，這次是破天荒的第一次，也是蘋果首次在iPhone中引入FPGA器件，Why？按照常識，以蘋果年銷售1億部iPhone的規模，如果要盡可能地降低成本，應該盡可能采用ASIC芯片，以往的傳統是FPGA通常只被用在低量市場，所以這次蘋果的設計著實引起了大家的興趣。
多年以前，三星Galaxy S4及S5曾經也率先采用過Lattice的同款FPGA器件，而當時的主要應用方向是用于紅外識別和二維碼識別，但是在S5以后的Galaxy型號中，三星用別的方案替代了FPGA，所以并未引起業界的震動，但是蘋果用FPGA的意義還是大大不同的。
蘋果iPhone7這次采用FPGA方案在智能手機行業樹立了一個標桿，這也意味著FPGA這一冷門器件第一次這么顯眼地出現在消費電子市場，贏得大家的廣泛關注，而這種情況在多年以前是完全不可能的。至少我們可以得到一個淺顯的結論：可能今后有無集成FPGA會成為區分高端智能手機的分水嶺，或許在今后我們會發現更多的消費品電子會應用到FPGA。這對FPGA行業應該是一個很好的消息。
此次蘋果使用的Lattice芯片，屬于ICE系列。2012年，Lattice發布了市場上首款針對移動應用領域的FPGA iCE40，至于iCE產品的命名，則與產品的特色一致，那就是低功耗像冰一樣。在Lattice推出iCE之前，消費類市場占其總營收的不足5%,而現在消費類已經接近30%的銷售額，這一切都應歸功于全新的市場應用。
隨著手持市場技術的快速演進，很多功能由于尚在試驗期，沒有相應的協議與穩定的市場，ASSP廠商不愿意去開發，因此在這半年到一年的窗口期內，FPGA可以幫助客戶解決過渡期的問題。Lattice用“萬金油”來比喻iCE系列，寓意為最靈活的可穿戴器件。另外FPGA可以幫助客戶節約調試時間，因為ASSP一旦出現bug，客戶只能等待下一批產品，FPGA則可以隨時修改，縮短了開發周期。
2015年Lattice推出了面向中檔手機及可穿戴設備的iCE40 UltraLite，顧名思義其實是iCE40 Ultra的簡化版，不過配置并未因此縮水，最大的變化只是存儲空間減少，邏輯單元由1k/2k/3k縮小至0.64k與1.2k，客戶可以針對自己的應用自主選擇。比如手環或中端手機，就可以考慮UltraLite同時實現低功耗、差異化和低價格的產品設計。封裝尺寸小至 1.4x1.4x0.45mm，相比競爭對手的產品尺寸減小60%；功耗僅為35uA，相比對手低30%；同時擁有最高硬件集成度。
iCE系列針對的應用范圍包括：可穿戴設備、計步器、永遠在線的導航、語音輸入、LED呼吸效果、日程提醒、活動監測、紅外控制、用戶識別等。同時，UltraLite也支持多款工業應用，包括手持工具、POS等傳統工業應用，也包括便攜式血壓計等手持醫療設備，牙科、胃鏡等體內醫療應用亦可采用。
FPGA號稱“萬能芯片”，從技術角度講，它是可編程的產品，在不改變芯片本身硬件組成的情況下可反復使用。根據市場變化，在同樣載體上實現不同功能。聽起來很美好，但研發起來很困難，能做FPGA器件的廠商一定是大牛中的大牛，因為像英特爾(Intel)、德州儀器(TI)這樣的半導體巨頭也曾嘗試進入這個市場，但都因為這樣那樣的原因鎩羽而歸。目前，全球范圍內能夠量產FPGA的企業屈指可數，Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi都是大家耳熟能詳的美國企業。
FPGA是專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路，其優點包括可以快速成品、可被修改、可改正程序中的錯誤和更便宜的造價等。工程師對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，就可以實現想要的邏輯。FPGA還具有靜態可重復編程和動態在系統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。FPGA能完成任何數字器件的功能，甚至是高性能CPU都可以用FPGA來實現。FPGA如同一張白紙：加電時，FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后進入工作狀態；掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此FPGA能夠反復使用。使用FPGA來開發數字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB印刷電路板的面積，提高系統的可靠性。在FPGA內置入硬核CPU或軟核CPU，既能實現數字邏輯又能適應嵌入式開發。
2014年，全球FPGA市場總規模達到50億美金，其中，中國的市場份額有近17億美金，中國市場占全球市場的三分之一。分析機構預計2015年至2020年全球FPGA市場的年復合增長率為9%，到2020年，全球FPGA市場規模將達84億美金。目前FPGA正處于一個加速增長的市場勢態中，增長幅度遠大于其他芯片市場；同時，FPGA行業平均毛利可觀，據市場數據分析表明其行業平均毛利大于60%。FPGA行業也需要更大的市場規模，以吸引更多的使用者。預計隨著FPGA產量逐步增加，成本的進一步降低，其市場份額將會持續增大。
目前FPGA的主要應用領域是通訊、工控、國防、消費，近年來FPGA最引人關注的變化趨勢之一就是應用領域不斷拓展。
在FPGA傳統應用市場方面，通信逐步實現高速、復雜協議，消費電子應用則注重低功耗、低成本。此外，FPGA還廣泛應用于醫療電子、安防、視頻、工業自動化、語音網絡、半導體制造設備以及家電等領域。FPGA在工業中的應用主要涉及四大領域，分別是馬達控制、工業網絡、機器視覺和機器人控制。以馬達控制為例，重點是需要降低噪音、減少震動 、降低 EMI，同時獲得更高的控制精度和減少能源消耗等。
目前在全球市場中，Xilinx、Altera兩大公司對FPGA的技術與市場仍然占據絕對壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場份額，專利達6000余項之多；剩余市場份額主要被Lattice和Microsemi所占有，這兩家的專利也達3000多項。2014年Xilinx、Altera兩大公司營收分別為23.8億美元和19.3億美元；而2014年Lattice和Microsemi（僅FPGA部分）兩公司營收為3.66億美元和2.75億美元。這前四大FPGA市場領先者幾乎壟斷了FPGA的市場份額。
FPGA市場前景誘人，但是門檻之高在芯片行業里無出其右。全球有60多家公司先后斥資數十億美元，前赴后繼地嘗試登頂FPGA高地，其中不乏英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星這樣的行業巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國硅谷的四家公司-Xilinx、 Altera、Lattice、Microsemi。上述4家公司手握9000余項專利，如此之多的技術專利構成的技術壁壘當然高不可攀。
去年，英特爾以167億美元的代價將FPGA第二大公司Altera收入囊中。當時英特爾CEO Brian Krzanich曾表示，英特爾的成長策略是擴展核心資產以進入高利潤、互補的市場空間，通過這次并購英特爾可以把摩爾定律推向更好、更強的下一代解決方案。企業用戶期望在增強的網絡、大型云數據中心及物聯網領域獲得性價比更高的性能，而這正是摩爾定律及英特爾與Altera共同聯合創新所能實現的。
那么，為什么英特爾肯花如此高的價格（差不多8倍市銷率）并購這家公司？作者注意到，就在2014年，微軟聯合了亞馬遜、谷歌及多所一流大學在IEEE發表了一篇題為《提升大型數據中心的可配置架構》（A Reconfigurable Fabric for Accelerating Large-Scale Datacenter Services）的長篇論文，該論文的參與方還包括來自Altera和Quanta兩家公司的技術支持，這篇論文里所涉及的項目被命名為“Catapult”，這是微軟研究院積極推進的一個激進項目。在云計算時代，微軟研究院一直在積極思考如何改進當前的云基礎架構。現在的云基礎設施由于增長的速度過快，當云數據中心超過一定規模后將面臨穩定性及可持續性的挑戰，微軟研究院積極思考能否有其它可替代技術實現云數據中心的可持續增長，這項技術就是FPGA現場可編程門陣列。
從1985年誕生了全球首款FPGA產品以來，FPGA的應用逐漸從數字信號處理、高速串行收發器擴展到嵌入式處理器。FPGA被廣泛應用于通信、消費電子、工業控制、測試測量等微型電子電氣領域，但幾乎沒有被應用于大型數據中心。
微軟研究院于2014年6月宣布成功完成測試，把FPGA技術（而不是GPU技術）應用于Bing云數據中心，其效果包括相比于傳統服務器在處理Bing的自定義算法時快出40倍、比Bing現有的系統快出2倍、可縮減一半現有服務器數量等。FPGA技術加速了大量數據在服務器上的處理過程，幫助解決大數據難題，滿足了巨大的分布式工作負載需求。《提升大型數據中心的可配置架構》（A Reconfigurable Fabric for Accelerating Large-Scale Datacenter Services）這篇論文，講的就是如何在Bing上測試FPGA技術。2014年9月，百度快速跟進，宣布將把FPGA技術用于自己的數據中心。
這意味著未來數據中心巨大的市場空間將有可能依靠FPGA來達成，而對于英特爾過去市場占有率比較低的通信與網絡市場，與Altera的結合有望打開這一市場空間。
FPGA在云數據中心的應用，將從CPU與FPGA離散使用、向CPU與FPGA打包使用、再向CPU與FPGA整合使用發展，在卷積神經網絡算法進行圖像識別、加密算法進行安全控制、壓縮算法進行大數據處理等方面發揮重要作用。微軟的研究表明，FPGA的功耗約是高端GPU的1/10，但高端GPU的圖像處理能力是FPGA的2到3倍，而由多個FPGA組成的集群能達到GPU的圖像處理能力并保持低功耗的特點。根據英特爾預計，到2020年，將有1/3的云數據中心節點采用FPGA技術。
在物聯網方面，Altera的FPGA技術與英特爾的Atom芯片結合，有望在工業自動化控制市場和高級駕駛助理系統市場取代現有的技術，在2020產生110億美元的增量可服務市場。由于采用了FPGA技術，用戶可以自行編程取代現有專用標準電路（ASSP）和專用集成電路（ASIC），為關鍵IoT應用增加新功能、提高性能、降低成本并縮減產品上市時間達50%。
當前，FPGA市場的競爭正在發生變化，應用領域不斷拓寬。之前，FPGA在很大程度上受到通信市場主導，但工業智能化、汽車電子化以及物聯網的發展，導致對可靈活編程的FPGA需求大增，FPGA廠商傾向于向解決方案商轉變，積極開發消費類市場。而與英特爾這樣的大廠的合作，或將決定市場的主導解決方案地位。一旦英特爾與Altera的解決方案占主導地位，程序員和工程師將涌向這個技術方向，并將進一步鞏固英特爾的市場地位。
2014年6月，英特爾宣布將業界領先的Xeon處理器和FPGA封裝到一個單一結構中，其插槽和標準的Xeon處理器兼容。英特爾稱FPGA將能為英特爾的客戶提供一個更強大的算法執行能力和更高的性能。而業界有研究表明，基于FPGA的加速器將能帶來10倍以上的性能提升，而英特爾則稱其還能在此基礎上帶來更多兩倍提升，其還在FPGA和處理器之間采用了超低延遲的接口。也就是說，英特爾通過采用FPGA能給基于服務器的應用帶來20倍以上的速度加成！
而到了9月份，Altera開始與百度公司在百度的深度學習應用中使用FPGA和卷積神經網絡（CNN）建立合作關系。百度稱FPGA的加速擁有巨大的應用潛力，將幫助FPGA深入到主流異構計算領域。利用Altera FPGA硬核IEEE 754浮點乘法器和加法器等可編程能力和特性，服務器和數據中心滿足了搜索、大數據和深度學習等領域越來越復雜的需求。
據估計，全球數據中心的電力消耗占到了全球總電力消耗的1%-10%，而且隨著數據量的增長，電力消耗也在隨之快速上升?，F在，在降低能耗增長的同時還繼續保證提供更快計算能力已經成為了一個巨大的經濟和生態問題。今天的數據中心都建立在廉價的電力基礎上，數據中心的大小和吞吐量受到了可輸入電力和排熱能力的限制。像微軟、谷歌、Facebook和eBay這樣嚴重依賴服務器的公司都有足夠的動力為提高代碼執行速度和降低電費而努力。
與此同時，隨著摩爾定律已經在約50年的長跑之后即將走向終結，我們的單核處理器的功率問題已經走到了極限，功耗的提高速度已經超過了性能提高的速度。然后我們有了雙核、四核甚至八核乃至更多核心的芯片。最后，為了彌補底層半導體工藝的持續改進的缺乏，我們正在尋找其它方法。如果只是等待更好的半導體材料來解決數據中心的困擾并不是一個可行的選擇。
FPGA為何能夠在功耗更低的情況下為計算能力帶來大幅的提升呢？對于特定的算法，基于FPGA的硬件能夠提供細分度很高的并行計算——延遲更低、吞吐量更高而且功耗更低。
另外值得注意的是英特爾并非第一家計劃量產帶FPGA的異構處理器的公司。Xilinx已經憑借其Zynq系列在這一市場奮戰了好幾年了，這一系列采用的帶有Xilinx FPGA架構的ARM處理器。盡管Zynq并不是一款數據中心級別的處理器，事實上差距還非常大，但Xilinx憑借其在Zynq上獲得經驗和工具積累將能讓其在未來的低功耗服務器市場爭奪中占據一席之地。
從FPGA的五大市場來看，工業、通信等領域已占據約七成的市場份額，計算機應用、醫療設備發展迅速，低成本低功耗的FPGA進軍消費類市場。隨著通信、工業控制、機器人、視頻分析乃至消費類市場的發展，FPGA的市場規模更加龐大。近來也有觀點表達出FPGA欲取代CPU成為主芯片的可能，同時，投資大門檻高的FPGA在國產化方面能否持續堅挺地得到發展。
FPGA能否成為摩爾定律失效的解藥呢？
前面筆者曾經提到，整個全球FPGA市場現在被4家美國公司完全壟斷，并且Altera和Xilinx兩家公司壟斷了市場的88%左右，而對于中國本土公司來說，FPGA幾乎是個空白，目前及將來仍將大量依賴進口。如果再遇到一次中興禁售危機，對任何企業來說可能都是滅頂之災，而FPGA的快速增長將對中國帶來更多挑戰，中國何時能夠補齊這塊半導體拼圖中的重要一塊，是政府和各大廠商都在關注的重點。
不過據筆者手頭拿到的一份產品資料，已經有國內企業成功地研發出與Lattice iCE系列同款的兼容器件，并已在市場上銷售。所以筆者對于國人能夠最終攻克美國人構筑的FPGA堡壘并不太擔心。這家不但有兼容Lattice的器件，更多的是兼容Altera中低端芯片的器件。（為了避免廣告嫌疑，特將公司名稱抹除）
三星的Galaxy系列中也曾出現過這家國內廠商的身影，可以側面證實并非是反向設計，否則三星這樣的大廠商很顧忌知識產權問題不會采購。
隨著智能化市場需求變化越來越快，定制芯片 (SoC asic) 項目巨減趨勢已不可逆。采用ASIC方案的投資量大幅增加，周期長, 市場風險大幅加大。而相對來說FPGA技術正逐漸在向主流邁進。
FPGA 擁有并行計算優勢，在高性能、多通道領域可以代替部分ASIC 和DSP，FPGA 的并行計算在多通道處理方面可以對傳統的ASIC 方案進行優化。
以5 萬片流片為臨界點，FPGA 在高價值、批量相對較小、多通道計算的專用設備（如雷達、航天飛機、路由器）有取代ASIC 的趨勢，這將是Xilinx固守的地盤。
FPGA 開發周期比ASIC 低55%，可以用來快速搶占市場。這也許是Lattice在批量較大的消費電子市場最重要的勝負手。
而Intel治下Altera FPGA的終極目標，應該是利用其在高性能低功耗及在深度學習的優勢，最終融入CPU技術中，成就異構計算數據中心的明天。
從資本市場來看，之前紫光集團剛剛完成對Lattice的少量入股行為，Lattice（LSCC）目前在納斯達克上市，總市值不超過8億美元，相比Altera167億美元的收購價，這樣的體量不失為一個理想的收購目標，全球的FPGA企業一共也只有這4個標旳（Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi），Intel已經買下Altera，Xilinx作為行業老大暫時不大會賣，而剩余的兩個稀缺標旳賣掉一個少一個。趁著進入iPhone7供應鏈的東風，不知道Lattice今年會不會市值暴漲，成為大佬們爭奪的目標。不過看起來美國政府多半不會批準中國公司收購這么關鍵技術的敏感公司，所以中國本土的FPGA企業一定要快馬加鞭，爭取早日實現替代進口，這樣方能擺脫受制于人的局面。
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