当FPGA遇上开源，要变天了

文 | 半导体产业纵横

开源，是一个热词。

前几年，开源架构RISC - V 横空出世，凭借其开放特性，在芯片设计领域搅起层层巨浪。

年初，开源大模型DeepSeek 重磅登场，为AI再填一把火。

如今，这股热浪已经冲击到了FPGA。

01 全球首款开源FPGA，正式发布

近日，美国半导体初创公司Zero ASIC 宣布推出世界上第一款开放标准 eFPGA IP 产品Platypus。

据该公司介绍，Platypus是首个且目前唯一的商业eFPGA IP产品，具备以下三大特点：采用100%开放和标准化的FPGA架构；提供100%开源的FPGA比特流格式以及配备100%开源的FPGA开发工具。

Zero ASIC的前身可追溯至2008年成立的Adapteva，该公司专注于并行处理器研发。2020年，原Adapteva创始人Andreas Olofsson重新组建团队，将公司更名为Zero ASIC，并获得美国政府资金支持，专注于可组合芯片平台研发。

此前，Olofsson曾主导DARPA的CHIPS项目（通用异构集成与IP重用策略），为后续技术路线奠定基础。

据悉，Zero ASIC 正在构建世界上第一个可组合芯片平台，使数十亿个独特的硅片系统能够在数小时内从现成的芯片目录中组装出来。

那么，什么是开源FPGA？开源FPGA又有哪些意义？

开源FPGA是指其硬件设计、工具链或相关生态系统以开源形式发布的FPGA技术。与传统FPGA（由Xilinx、Intel等公司主导的闭源商业产品）不同，开源FPGA的代码、架构或开发工具对公众开放，允许用户自由修改、定制和共享。

开源FPGA的典型形式包括开源工具链、开源硬件架构以及全开源FPGA设计等。

谈到开源FPGA的优势：

首先在成本方面，开源的FPGA可帮助开发者避免依赖商业公司的高昂授权费和工具订阅成本。

在定制化方面，开发者可修改FPGA架构或工具链，适应特定需求（如定制指令集、优化功耗），并且开发的速度也可以明显加快。

在安全性方面，传统FPGA依赖单一厂商的工具链和芯片，开源生态支持多平台兼容性。

在生命周期方面，商业FPGA可能因厂商停产而淘汰，开源项目可由社区维护，延长硬件寿命。

02 开源FPGA，非一日之功

过去 25 年来，人们曾多次尝试开放 FPGA。

日本大阪大学便是开源FPGA项目的一个重要参与者。

1997 年5 月，通用布局布线 (VPR) 开源 FPGA 研究平台问世，自此帮助降低了高质量、可重复的 FPGA 研究的门槛。

日本大阪大学LNIS团队开发了一个开源的、全面的FPGA设计和实现框架—OpenFPGA。它在GitHub上开源，支持高度定制化的FPGA架构，提供了从Verilog到比特流的一站式解决方案，非常适合芯片设计师和研究人员。它采用MIT许可证分发，核心代码库外的一些子模块（如VTR、Yosys及Yosys插件）遵循各自许可条款。

OpenFPGA的核心便是VPR工具，它负责FPGA的布局和布线。VPR采用了先进的算法，可以优化逻辑块的布局、路由资源分配以及功耗控制。通过开放源代码，开发者可以直接参与到VPR的改进中，推动其性能和效率不断提升。

该项目的核心功能：

• Verilog至Bitstream生成：允许用户将设计直接编译成特定FPGA的配置位流。

• 自定义FPGA架构：支持创建和验证个性化FPGA结构，推动FPGA设计的创新边界。

• 自我测试与验证：集成的验证工具确保设计的正确性，减少错误风险。

• 敏捷原型制作：提供快速原型制作环境，加速研究和开发周期。

值得注意的是，VPR 仍然只是一个研究工具，商用 FPGA 仍然没有完全开放的 RTL 到位流程。

为了解决缺乏完全开放的 FPGA 设备的问题，DARPA 于 2018 年资助了 OpenFPGA 和 PRGA FPGA 生成器研究项目。

虽然这些开源生成器促进了几种学术芯片的流片，但最终的设计既没有标准化，也没有商业化。

市场上也始终没有出现一款开放、标准化的商业 FPGA 产品。

随着 Platypus eFPGA 系列的推出，Zero ASIC 通过在开源 Apache 许可下公开发布其商用 Z1000 eFPGA IP 的完整架构描述和比特流格式，向标准化 FPGA 迈出了重要的一步，目标是使其成为一个开放标准。

此外还有不少机构，在开源FPGA领域的其他方面，伸出触角。比如：FINN（Fast INtegration of Neural Networks）是一个由Xilinx开发的开源项目，专注于在FPGA（现场可编程门阵列）上实现高效的神经网络推理。FINN利用FPGA的并行处理能力，能够显著加速神经网络的推理过程，特别适用于边缘计算和实时应用场景。

SymbiFlow 也是一个开源的 Verilog 到比特流 FPGA 综合流程，目前面向 Xilinx 7 系列、Lattice iCE40 和 Lattice ECP5 FPGA。该项目的目标是设计高度可扩展和多平台的工具。开源项目SymbiFlow通过社区协作，已支持多款FPGA的开源工具链，打破了传统EDA工具的垄断。

Microsemi 于 2017 年开始在其 FPGA 中提供 RISC-V 软核，Lattice 于 2020 年开始提供，英特尔 (Altera) 于 2021 年开始提供，因此 Xilinx 是最后一家这样做的主要供应商，其在2024年5月才开始提供。

03 开源MCU，趟出一条路

除了FPGA之外，开源趋势正在向更多类型的芯片领域渗透。

2019年10月，在乌镇互联网大会上，阿里巴巴旗下芯片公司平头哥宣布开源低功耗微控制芯片（MCU）设计平台。自此，平头哥成为了国内首家实现芯片平台开源的企业。

与开源FPGA的优势类似，开源MCU具有更高的灵活性和开放性，降低了进入嵌入式开发领域的门槛，使得小型团队或个人开发者也能够接触和使用先进的MCU技术，与此同时。开源MCU的灵活性有助于更好地适应不同的市场需求和应用场景。

MCU 可分为 4 位、8 位、16 位、32 位。不同位数的 MCU 适用于不同领域，位数越高，MCU 的数据处理能力越强，越适用于复杂的应用场景。自上世纪 70 年代 MCU 问世至今，8 位 MCU 一直占据市场主流。随着物联网等智能技术的发展和 32 位 MCU 成本竞争力的提升，32 位 MCU 需求快速增长，2015 年起全球 32 位 MCU 出货量超过 4 位、8 位、16 位 MCU 出货量的总和。

如今，物联网、云计算、5G、人工智能等技术快速发展。在此背景下，绝大部分 IoT 设备都需搭载下一代 MCU 芯片，实现传感、通信、信息处理、计算、下达控制指令等复杂任务。具备 AI 能力和云端接入能力是下一代 MCU 芯片与传统 MCU 芯片最大的不同。

基于 RISC-V 指令集架构的 MCU 是一个全新的市场。

近年来，RISC-V MCU发展迅速。由于其开放性和灵活性，使得它在物联网、智能设备、汽车电子、工业控制，以及其他紧凑型、低功耗和成本敏感型嵌入式系统中有大量的应用。特别是汽车电子，被认为是未来RISC-V MCU最有发展潜力的市场。

根据SHD集团的统计，2023年，全球基于RISC-V内核的SoC产品出货量是12.6亿颗，预计2024年将达到20亿颗，到2031年将会突破200亿颗。其中，出货量占比最大的是MCU，2023年RISC-V MCU出货量为6.17亿颗，预计到2030年，出货量可达73亿颗，年复合增长率为42.4%。

RISC-V MCU的国内外供应商和产品在近年来也得到了显著的发展，不少企业已经推出了基于RISC-V内核的MCU产品，比如说兆易创新在2019年就推出并量产了基于RISC-V内核的32位通用MCU产品；瑞萨电子也推出了RISC-V MCU，比如R9A02G021；乐鑫科技则通过自研的RISC-V 32位处理器，推出了多款支持AI功能的MCU产品。另外，高通、英伟达、英飞凌等公司也在积极开发基于RISC-V的解决方案。

近日，英飞凌宣布，将在未来几年内推出基于RISC-V 的全新汽车MCU系列，引领RISC-V在汽车行业的应用。

04 开源FPGA，给国产公司带来哪些利好？

相较于MCU，FPGA的开源之路尚处早期。但是从MCU的发展路径中，有望一窥FPGA的未来走向。

首先，看看FPGA与MCU的相似之处与不同之处。

从产品特性来看，FPGA与MCU均为可编程芯片，但实现方式不同。MCU通过软件编程实现功能，适合执行固定任务（如传感器控制、简单算法）；FPGA通过硬件逻辑重构实现功能，支持并行计算与复杂算法加速，灵活性更高。

从应用场景来看，MCU具有低功耗、低成本的特点，广泛应用于家电、消费电子等简单控制场景；FPGA适用于高性能计算（如5G信号处理、AI推理）、硬件加速及原型验证等复杂场景。

从开发门槛来看，MCU开发依赖C/C++编程，工具链成熟，入门门槛低。FPGA需掌握硬件描述语言（HDL），设计流程复杂，对工程师要求较高。

再看开源FPGA的未来走向，当前FPGA属于早期探索阶段，GitHub等平台正在涌现大量开源IP核，相应的工具链正逐步成熟。针对AI、物联网等领域的需求，开源FPGA可加速定制化解决方案落地。

开源FPGA是否会成为未来趋势？对国产FPGA公司又有哪些利好？

对于国产公司来说，就如上文的分析，开源降低技术壁垒，吸引全球开发者参与，加速技术迭代，并且开源FPGA还可减少对国际厂商IP的依赖。

详细分析来看：

在技术创新方面，开源社区贡献IP核，国产厂商可快速集成，缩短产品上市周期；开源工具链还支持硬件剪裁，国产FPGA可针对特定场景（如边缘计算）优化功耗与性能。

在降低成本方面，开源EDA工具可替代昂贵商业工具，降低研发成本。复用开源IP减少重复开发，聚焦核心技术创新。

因此，开源FPGA正是给国产FPGA厂商提供了一条差异化竞争的路线。写到这里，或许会有人发问，既如此，为何开源FPGA的发展要比MCU慢得多？

众所周知，开发FPGA是一件难事，其硬件设计门槛高、开源工具链存在性能瓶颈、生态系统碎片化、主流FPGA厂商盈利模式的影响均会阻碍开源FPGA的前进步伐。可以确定的是，开源FPGA可能成为硬件创新的关键基础设施，但还需业内各界做出更多努力。