2. 4 FPGA
通用处理器的摩尔定律已入暮年，而机器学习和Web 服务的规模却在指数级增长。人们使用定制硬件来加速常见的计算任务，然而日新月异的行业又要求这些定制的硬件可被重新编程来执行新类型的计算任务。FPGA 正是一种硬件可重构的体系结构，常年来被用作高计算领域专用芯片(ASIC)的小批量替代品。
FPGA 指现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA 能部分替代ASIC 是有原因的，一是FPGA 并行运算，二是硬件结构可变，三是运行中可更修改。
FPGA 的核心优势，主要有五个方面:可编程灵活度高、并行运算效率高、开发周期较短、稳定性好、长期维护。
可编程灵活度高:理论上，如果FPGA 提供的门电路规模足够大，通过编程可以实现任意ASIC 和DSP 的逻辑功能。不像ASIC 设计后固化不能修改。所以，FPGA 的灵活性也较高。实际应用中FPGA 的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片，而不是替换和设计芯片(设计和时间成本巨大)，甚至FPGA 可通过因特网进行远程升级。
并行运算效率高:FPGA 打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，例如处理一个数据包有10 个步骤，FPGA 可以搭建一个10 级流水线，流水线的不同级在处理不同的数据包，每个数据包流经10 级之后处理完成。每处理完成一个数据包，就能马上输出。
开发周期短:FPGA 技术提供了灵活性和快速原型的能力。一般用户可以测试一个想法或概念，并在硬件中完成验证，而无需经过自定制ASIC 设计漫长的制造过程。由此用户就可在数小时内完成逐步的修改并进行FPGA 设计迭代，省去了几周的时间。
稳定性好:软件工具提供了编程环境，FPGA 电路是真正的编程“硬”执行过程。基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内存和处理器的带宽。对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。而FPGA 不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。
长期维护:FPGA 芯片是现场可升级的，无需重新设计ASIC 所涉及的时间与费用投入。举例来说，数字通信协议包含了可随时间改变的规范，而基于ASIC 的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。可重新配置的FPGA 芯片能够适应未来需要作出的修改。随着产品或系统成熟起来，用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。
FPGA也存在限制因素:一是随着半导体制程提升，芯片设计和流片成本大幅增加，摊销到每块芯片上的成本非常高，这也是摩尔定律推进放缓的一个原因。10nm 芯片的开发成本已经超过了1.7 亿美元，7nm 接近3亿美元，5nm 超过5亿美元。如果要基于3nm 开发出NVIDIA GPU 那样复杂的芯片，设计成本就将高达15 亿美元。代工厂为此每月要拿出4 万片晶圆，成本在150 亿到200亿美元。在14nm 之前，每18 个月进步一代制程，性价是有30%提升的，然而迈入14nm之后，这一趋势快见不到了。
按照测算，FPGA 流片临界点是5 万片，低于5 万片，对于雷达、宇航、汽车电子等高价值专用设备采用FPGA 较合算，而超过5 万片甚至更大规模流片采用ASIC 更有优势。
二是FPGA?功耗比ASIC?大，由于FPGA 制造厂商设计过程中不清楚芯片的应用领域，会过于追求门电路的规模，而实际应用中多数门没有被用到，导致FPGA 的单位芯片面积大于ASIC，存在功耗过大的问题。
三是FPGA?设计技术门槛非常高，编程时需要采用专用工具进行编译，再烧录至FPGA 中，还要考虑应用场景多样性、复杂性和效率等多种问题。
全球FPGA 市场被国外四大巨头Xilinx(赛灵思)，Altera(阿尔特拉已被英特尔收购)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)垄断。
从营业收入上看，2018 年赛灵思营收达到25.39 亿美元，市占率54%，Xilinx与Altera两家公司共占有近90%的市场份额，专利达到6000 余项，四家公司合计专利9000 余项，技术壁垒高不可攀。而Xilinx始终保持着全球FPGA 的霸主地位，难以撼动。从利润上看，由于Xilinx对FPGA 市场巨大的统治力，多年来净利率始终保持稳定，2017 年净利率20.18%。反观Lattice和Microsemi仍处于微利或亏损状态。
从产品上看，赛灵思公司多年来保持FPGA 行业霸主地位，源于产品超强的竞争力，一是赛灵思FPGA 在集成上不断突破，工艺制程一直保持领先，芯片效率高、功耗小。二是产品定位于高端市场，应用领域覆盖汽车、数据中心、消费类电子、高性能计算、医疗、有线通信等附加值高的行业。三是技术专利数量庞大，形成了抵御同业对手的天然壁垒。
