FPGA设计专利最新进展

王薇，杨静文，林海涛，华松逸

（1.中国电子科技集团第五十八研究所，江苏 常州 213164；2.江苏佰腾科技有限公司，江苏 常州 213164）

0 引言

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL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[1]。

FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用 FPGA的模式进行其他行业产品的设计。与ASIC不同，FPGA在通信行业的应用比较广泛。通过对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析，结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品，可以发现相关技术在未来的发展方向，对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用[2]。

专利文献承载发明创造内容。专利文献与其他文献相比在传播发明创造方面作用突出，95%的发明创造被记录在专利文献之中，80%的发明创造仅在专利文献中记载。研究专利文献中记载的发明创造，对于创新具有非常重要的作用：了解技术发展的现状，推断技术发展的趋势，可使企业避免重复研究，节约研究时间（缩短60%科研周期）和经费（节约40%的科研经费），同时还可启迪企业研究人员的创新思路，提高创新的起点，实现创新目标。

1 检索概述

本文主要采用计算机进行专利数据的检索，中国专利文献以中国专利局（佰腾网www.baiten.cn）对外公开的专利文献为基础，国外专利（incopat）以欧洲专利局（worldwide数据库）已公开的专利文献为基础，包括了美国、日本、欧洲、韩国、德国、俄罗斯、世界知识产权组织等103个国家之间交换的专利文献。

检索终止日期为2020年12月1日。需要说明的是，发明专利申请自申请日起（有优先权的，自优先权日起）满18个月公开。截止本报告数据检索日，2019年6月以后提出的部分专利申请尚未公开，导致本报告2019年6月以后的专利申请数据统计不完全，因此，2019年6月以后的数据仅供参考。

2 FPGA国外专利进展概述

FPGA于1984年被Xilinx所发明，技术发展起源于20世纪80年代，因此，下文中分析的数据均以1985-2020年段进行分析。截至2020年12月1日，FPGA设计专利全球申请总计12250件，其中国外3793件。

如图1所示为FPGA设计专利国外申请和公开趋势，国外FPGA技术起源于20世纪80年代，从90年代开始进入技术快速发展阶段。最初，FPGA只是用于胶合逻辑(GlueLogic)，从胶合逻辑到算法逻辑再到数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器，FPGA真正地从配角变成了主角。1985年，Xilinx公司推出的全球第一款FPGA产品XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”——采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。2007年，FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司分别推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。一路走来，FPGA在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺，2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺。从专利申请量可以看出，FPGA设计技术专利申请集中于2000年前后，此时年专利申请量和公开量一度超过200件。

图1 FPGA设计专利国外申请和公开趋势

经过了第一个技术发展热潮后，Altera公司估计可编程逻辑器件市场在2006年的规模大概为37亿美元，Xilinx公司的估计更为乐观一些，为50亿美元。虽然两家公司合计占据该市场90%的市场份额，但是作为业界老大的Xilinx公司在2006年的营收不过18.4亿美元，Altera公司则为12.9亿美元。FPGA产业在经历了过去几年的快速成长后放慢前进的脚步，随之专利申请量也有所下滑，专利申请主要集中在少数几个行业巨头上。

如图2中所示为国外申请主要来源国。FPGA设计专利国外申请主要集中于发达国家，美国、韩国、日本排名前三。当前国外的FPGA公司主要集中在美国，其中塞灵思(Xilinx)、英特尔(2015年收购Altera)、美高森美(2010年收购Actel)和Lattice四家公司为当前主流的FPGA公司，其中以塞灵思和英特尔两家为主，这两家公司的产品占据90%以上市场份额，是最早投入FPGA技术研发并将产品市场化的企业。日本和韩国作为半导体技术发达的国家，在FPGA技术领域的专利申请量也较多。在WIPO和EPO分别有355件和284件专利申请，该技术的研发集中于少数国家的少数申请人，专利申请海外布局的占比相对较高，可见对于国际市场专利布局的重视程度。

图2 FPGA设计专利国外专利申请主要来源国

如图3所示为FPGA设计专利国外申请排名前十申请人，塞灵思(Xilinx)是该领域专利申请最多的申请人，是该领域的领军者，无论是市场份额还是研发实力，都是该领域当之无愧的第一巨头。排名前五的还有美国ACTEL公司、韩国LG公司、韩国三星、美国Altera公司。Lattice公司作为行业四大巨头之一，设计专利申请仅37件，排名第十，可见其在FPGA设计技术方面积累较为薄弱，仅处于第二梯队。

图3 FPGA设计专利国外申请排名前十申请人

2.1 Xilinx

Xilinx公司2018年10月23日最新公布了一件专利申请US15654506[3]，描述了用于提供和操作有效基础设施以实现结构块的内置时钟停止和扫描转储(CSSD)方案的方法和设备，所述结构块包括块随机存取存储器(BRAM)、Ultraram(URAM)、数字信号处理(DSP)块、可配置逻辑元件等。这是系统调试的一个非常有用的特性，也可以应用于仿真用例(例如FPGA仿真)。此方案可应用于具有高度重复块的任何平铺体系结构。基础结构可以包括跨多个平铺块共享的dfx控制器，每个块中具有一些分布式逻辑，以努力最小化或至少减少面积开销。基础设施还可以最小化或至少减少资源的利用，以努力确保对原始设计的扰动最小，从而可以容易地再现正在调试的设计问题。

Xilinx公司2020年6月30日最新公布了一件专利申请US16380856[4]，描述了一种具有域辅助处理器(DAP)和域特定加速器(DSA)的外围I/O设备，所述域辅助处理器和域特定加速器与主机计算系统中的CPU和存储器处于相同的相干域中。外围I/O设备以前不能参与主机计算系统中具有硬件资源的高速缓存相关共享存储器的多处理器范例。结果，轻量级处理器功能(例如，诸如GZIP，开放源密码库，开放源网络交换机等的开放源功能）或者使用主机中的CPU资源来执行，或者通过在外围I/O设备中提供特定的处理系统(例如，使用FPGA中的可编程逻辑)来执行。这里的实施例使用外围设备I/O中的DAP来执行轻量级处理器功能，否则这些轻量级处理器功能将由主机中的硬件资源或外围设备I/O中的特殊处理系统来执行。

Xilinx公司2014年8月4日最新公布了一件专利申请KR1020147015326[5]，描述了一集成电路包括根据可操作的可编程电路第一的时钟频率和块随机接入存储器。该块随机存取存储器可以包括随机存取存储器(RAM)元件具有至少一个数据端口，存储器耦合的处理器数据端口的RAM元件和所述可编程电路。存储器处理器可以操作用于根据第二时钟频率是高于第一的时钟频率。此外，存储器可以是硬连线和专用处理器，用于执行操作的块RAM中的元件的随机接入存储器。

2.2 Intel

Intel公司2020年8月20日最新公布了一件专利申请US16652020[6]中，描述了一种用于计算平台初始化的技术，例如通过使用现场可编程门阵列(FPGA)来初始化计算平台的一个或多个相关可引导组件(DPC)。在一个或多个实施例中，FPGA可以被重新配置以在计算平台初始化之后执行运行时操作。在本文所述的实施例中，DPC可以包括初始化计算平台的任何硬件或软件组件，例如硅组件和平台组件。在这样的实施例中，引导序列可以包括引导指令以初始化一组DPC。引导序列可以初始化计算平台，计算平台初始化可包括准备计算平台以执行输入/输出(I/O)操作，可以经由操作系统来执行I/O操作。

Altera公司2020年7月16日最新公布了一件专利申请US16833206[7]中，描述了一种配置可编程集成电路器件的方法。所述虚拟结构内的信道源被配置为从所述虚拟结构外部和所述可编程集成电路设备上的第一内核接收输入数据，并且所述虚拟结构内的信道宿被配置为向所述第一内核发送输出数据。修改通道源的配置，使得通道源响应于检测到可编程集成电路器件的操作改变而从第二内核接收输入数据。

Intel公司2020年5月7日最新公布了一件专利申请US16727236[8]中，描述了一种用于在以太网媒体访问控制(MAC)地址内嵌入结构寻址信息的技术，该技术允许具有潜在的百万个节点的多节点结构以以太网封装为特征，而不需要查找或映射来将MAC地址翻译成结构可路由的本地标识符(LID)。特别地，本地管理的MAC地址可以用包括LID的结构寻址信息来编码。因此，节点可以通过用对应于预期目的地的目的地MAC地址封装每个以太网分组来使用多节点结构交换以太网分组。因为目的地MAC地址可以隐含地映射到多节点结构的LID，所以节点可以使用从中提取的LID值来寻址结构可路由分组。为此，节点可以将封装以太网分组的结构可路由分组引入到多节点结构上，而不必执行查找以将MAC地址映射到相应的LID。

2.3 Actel

Actel公司2012年11月8日最新公布了一件专利申请US13463232[9]中，公开了一种适于在现场可编程门阵列集成电路器件中使用的随机存取存储器电路。FPGA具有带有逻辑模块的可编程阵列和可编程耦合到逻辑模块和RAM电路的布线互连。RAM电路具有三个端口:第一可读端口、第二可读端口和可写端口。读取端口可以是可编程同步或异步的，并且具有可编程旁路输出流水线寄存器。RAM电路特别适合于实现寄存器文件。还描述了一种新的互连方法。

Actel公司2011年4月12日最新公布了一件专利申请US12362844[10]中，公开了一种用于现场可编程门阵列集成电路器件逻辑集群。该集群包括多个功能块和三级路由复用器。外部信号主要在第三级多路复用器处进入逻辑群，少数信号进入第二级。组合输出反馈到第一和第二级多路复用器，而顺序输出反馈到第三级多路复用器。逻辑函数发生器具有可变传播延迟的置换输入。第一和第二级多路复用器之间的路由信号被分组为速度类，并根据它们的速度类耦合到与不同逻辑函数发生器相关联的第一级多路复用器。第二和第三级多路复用器被组织成组，使得第二和第三级多路复用器之间的路由信号可以定位在该组所占据的区域内。组与逻辑函数发生器进行间距匹配，以优化和模块化面积。所列经费用于全球和地方对顺序要素的控制。

3 FPGA中国专利进展概述

如图4所示为FPGA设计专利国内申请和公开趋势，截止到2020年12月1日，FPGA设计专利国内申请量为8457件，我国FPGA设计技术发展起源于20世纪90年代，真正技术发展于2000年以后，我们起步比国外晚了十多年。在这期间国外FPGA产业已经完成了系列整合并购，市场格局已经基本确定，Xilinx、Intel和Lattice等企业基本上垄断了全球市场。从2010年开始，国内才陆续出现自主知识产权的国产FPGA企业，此时专利申请量出现了较大的增长，芯片行业并购是这几年的主旋律，一方面是巨头们在某些细分领域遭遇到中小公司强有力的竞争，使得他们的利润率收到影响，收购可以减少竞争，维持一定的寡头利润。另一方面行业竞争使得巨头们需要抱团取暖，丰富自己的产品线以进军广泛的市场。陆陆续续诞生了一些FPGA厂商，如京微雅阁、安路、同创、高云半导体等公司，都先后推出自己的FPGA芯片，有的已经在商用，有的在大公司进行样品认定和试验项目，这是一个很好的信号，2018年专利申请量达到944件，可以预见未来几年内FPGA设计技术专利申请还会出现较大增长。

图4 FPGA设计专利国内申请和公开趋势

如图5所示，国内FPGA设计专利申请地域分布图可以看出，颜色越深，专利申请量越大，国内申请主要的地域分布在北京、江苏、四川、广东、上海等省市，专利申请量分别有1236件、1029件、829件、736件、694件。主要集中在经济发达的地区和科教资源丰富的地区，孕育出了一大批行业内的优秀企业，如紫光国芯微电子股份有限公司、上海安陆信息科技有限公司、京微齐力（北京）科技有限公司等。国外来华布局专利共132件，其中美国布局87件，占比65.9%，美国在该领域内的专利影响力可见一斑。

图5 国内FPGA设计专利申请地域分布

如图6所示，国内FPGA设计技术专利申请申请人以企业和科研院所为主，占比总量的73.3%，如图7中，排名靠前的企业有中国电子科技集团第四十一研究所、郑州云海信息技术有限公司、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中兴通讯股份有限公司等。FPGA设计技术偏向于基础类研究，高校申请人也占据较大的比例，虽然参与研发的高校数量不多，但是各个高校的研发实力不容小视，如图8中，北京航空航天大学、电子科技大学、西安电子科技大学排名前三。

图6 国内FPGA设计专利申请人构成

图7 国内高校FPGA专利申请排名

图8 国内企业及科研院所FPGA专利申请排名

济南浪潮高新科技投资发展有限公司申请的专利CN202010843822.1[11]“基于FPGA的多通道信号发生器输出波形同步的系统及方法”，公开了一种基于FPGA的多通道信号发生器输出波形同步的系统及方法，属于信号发生器信号输出幅度校准领域，本发明要解决的技术问题为如何在输出信号时消除偏移误差和增益误差，采用的技术方案为：该系统包括FPGA芯片、上位机及DAC芯片；FPGA芯片内设置有输出校准模块，输出校准模块包括PCIE接口、DDR接口、数据位宽处理单元、DSP单元、数据解析单元及DAC PHY层。该方法是上位机通过PCIE接口发送控制数据的指令和数据给FPGA芯片并进行更改，FPGA根据指令利用FPGA芯片的可编程性对源波形数据进行控制及更改，并对输出的数据进行变换，已达到输出的波形幅度接近理论输出的实际值。

中国科学院合肥物质科学研究院申请的专利CN202010778277.2[12]“一种延时电路及基于fpga锁相环的延时方法”，具体是涉及一种延时电路及基于fpga锁相环的延时方法。所述延时电路包括第一延时单元和第二延时单元，所述第一延时单元的输出端与第二延时单元的输入端电连接；所述第一延时单元用于产生时钟脉冲周期整数倍的延时信号；所述第二延时单元用于将第一延时单元输出的延时信号再延时小于时钟脉冲周期的延时信号。分别进行时钟脉冲周期整数延时和精确到时钟脉冲周期之内的延时，能够提高延时的精度，适用于各种高精度触发系统中。

深圳市紫光同创电子有限公司申请的专利CN202010681872.4[13]“数据路径的修复方法、FPGA电路、FPGA电路设计装置”，提供了一种数据路径的修复方法、FPGA电路、FPGA电路设计装置，涉及FPGA电路设计技术领域，可增大数据信号的延时，避免因违例时序电路影响FPGA电路的功能。该数据路径的修复方法，包括：当FPGA电路中的时序路径为违例时序路径时，重新对所述时序路径中的至少一条内部连线进行迭代布线，以延长所述时序路径的长度，直至所述时序路径修复成功或达到预设迭代次数；其中，所述FPGA电路包括多个布线单元，每个所述内部连线为一个所述布线单元中的一条连线。

复旦大学和上海新氦类脑智能科技有限公司合作申请的专利CN202010700170.6[14]“基于FPGA的用于提高BCPNN速度的设计方法”，公开了基于FPGA的用于提高BCPNN速度的设计方法，涉及人工智能技术领域，通过模块化设计，在硬件上对BCPNN中的突触状态的变量、权重以及偏置进行更新；通过查找表，在FPGA上实现指数运算；通过并行算法，对BCPNN中的突触状态的权重及偏置更新过程实现速度提升；通过加法器和乘法器的模块复用，在保持相同计算性能的情况下降低资源开销。本发明提供的方法不仅具有更高的计算性能，同时也具有较高的计算准确度，可有效提高BCPNN的权重及偏置更新速度。

电子科技大学申请的专利CN202010695957.8[15]“一种基于FPGA的二维有序统计恒虚警检测器实现方法”，涉及一种基于FPGA的二维有序统计恒虚警检测器实现方法。本发明的方法从二维功率矩阵输入开始，每个时钟周期都进行检测，降低数据缓存反复读取时延，能有效提高检测速度。针对传统OS-CFAR(有序统计恒虚警)排序过程计算量大情况，采用并行比较完成FPGA实现方法降低排序复杂度。充分考虑模块的复用性，通过移位寄存器组完成二维滑窗结构设置，实现二维OS-CFAR检测，可节省FPGA的BRAM内存资源和DSP资源。

4 技术构成分析

4.1 架构设计

通用FPGA架构由三种类型的模块组成，即可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）、开关矩阵/互连线、可编程输入输出单元IOB（Input Output Block）。

如图9所示，FPGA架构设计专利申请整体呈上升趋势，国外技术研发较早，技术研发的高峰在2000年以前，1998年专利申请量最高达到165件。2000年以后国外专利申请量有所下滑，此时国内的技术发展处于萌芽期，经过了几年的发展，2009年后国内专利申请量超过国外，增长迅速，2019年国内申请量达到历年最高，为158件。

图9 FPGA架构设计技术专利申请趋势

从图10中三大架构2000年后分别的专利申请趋势来看，CLB的专利申请中，国外专利从始至终占据较多的份额，国内技术真正发展于2005年后，且专利申请量较少。SWB的专利申请量国内外对比可以看出，国内申请量超过国外大约是在2010年后，目前国内申请量已经遥遥领先于国外。可编程IO的专利申请趋势可以看出，国内在2000年初就已经有少量的专利申请出现，但是发展相对较慢，2008年后，国内申请量逐渐超过国外。

图10 FPGA架构设计技术专利申请趋势

4.2 模块设计

模块设计主要分为以下几个部分：数字信号处理DSP、嵌入式块RAM（BRAM）、以太网媒体访问控制EMAC、高速串行计算机扩展总线标准PCIe、数据方向寄存器DDR、串行器/解串器SERDES、锁相环PLL。

如图11所示，FPGA模块设计专利申请整体呈上升趋势，2007年以前，国外专利申请量远高于国内，2007年以后，国内超过国外并不断拉开差距，从图12中各个模块分别的专利申请趋势来看，国外在BRAM、EMAC、SERDES等模块专利布局较多，目前的有效专利数量超过国内，在DSP、PCIe、DDR、PLL等模块方面，国内大致都在2010年左右超过国外，尤其是DSP和DDR模块，90%以上的专利申请均来自中国。

图11 FPGA模块设计技术专利申请趋势

图12 FPGA各个模块设计技术专利申请趋势

5 结语

FPGA有着比较广泛的应用，比如安防领域的视频编码解码等协议在前端数据采集和逻辑控制的过程中可以利用FPGA处理。工业领域主要采用规模较小的FPGA，满足灵活性的需求。另外，由于FPGA具有比较高的可靠性，因此在军工以及航天领域也有比较广泛的应用。未来，随着技术的不断完善，相关工艺将会完成升级改造，在诸多新型行业比如大数据等，FPGA将会有更为广泛的应用前景。伴随5G网络的建设，初期会大量应用FPGA，人工智能等新型的领域也会更多的用到FPGA。

专利文献作为及时、准确的技术资料和法律资料，在FPGA技术研究时，及时进行有关检索和查阅，了解公开的最新技术，更可以避免重复研究，规避侵权风险，从战略和战术上迅速抢占研究的制高点，掌握核心技术，提升核心竞争力，为我国FPGA技术做出贡献。