FPGA产业发展现状及人才培养研究报告

一、FPGA赋能智能时代

  随着第三平台技术（云计算、大数据、移动、社交、人工智能、区块链、物联网、增强/虚拟现实、机器人、下一代安全等）的成熟与落地，以数字知识和信息为关键生产要素的数字经济蓬勃发展。
  伴随着数字经济的发展，人工智能、物联网、5G等技术将会进一步加速其在更广泛的行业维度和业务场景的落地。难以计数的互联网接入终端、智能移动终端、海量机器节点持续以超过预期的速度产生数据。同时，依托于5G/6G移动通信系统的演进与骨干网基础设施的发展，数据的共享与交换成为了信息生活的主旋律。数据与网络的共同繁荣奠定了数字经济蓬勃发展的基础，数据则成为激活数字经济的血液，覆盖政府、金融、电信、交通、教育、零售、医疗等领域的各个角落。
  然而，巨量的数据并非直接可用。当前数据应用的现状是：分布式、碎片化、多样性的IT应用与复杂、动态、未知的对象将产生大量的非结构化数据，核心信息散布、淹没、隐藏于其中。要想实现对数据价值的挖掘，需要智能的算法与强大的计算力，计算力已经成为推动智能时代数字经济腾飞的重中之重。
  目前，主流高性能计算芯片主要包括CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）、 FPGA（现场可编程门阵列）、 ASIC（专用集成电路）等类别。其中，CPU和GPU采用冯诺依曼结构，面向通用计算。FPGA和ASIC采用数字电路结构，面向定制化专用，用于实现高速、低时延的计算。ASIC的特点是面向需求实现固定的功能，尽管在速度、时延、能耗上性能位于高性能计算的顶端，但极具专用型；而FPGA则是一种高端半定制数字芯片，内在提供大规模逻辑阵列，可根据不同的需求编辑内部的逻辑连接方式，提供支持灵活、复杂功能的高速计算能力。

二、FPGA市场现状及挑战

2.1 FPGA市场发展现状

  FPGA技术自产生以来，以其在数字逻辑和高速计算领域的优异性能，成为半导体市场的焦点。FPGA的无生产线（Fabless）开发模式，可以将芯片的开发与生产周期大幅缩短。市场对于FPGA的需求在90年代开始爆发，随着数据技术、通信技术、信息技术、人工智能技术、计算技术等不断突破，FPGA的优势得到了进一步发挥，市场需求持续增长。FPGA应用全面覆盖网络通信、工业控制、医疗设备制造、智慧交通、航空航天、数字金融等诸多领域，FPGA器件广泛用于信息传输设备、服务器设备、智能设备的数据处理与高性能计算。
  作为FPGA高需求国家之一，中国FPGA应用市场的发展被广泛看好，在网络通信、服务器、高性能计算等领域的需求持续旺盛。应用市场的繁荣必然反哺我国芯片技术的提升，为芯片制造和应用提供丰富的市场资源与资金，形成有效的正循环。2020年8月，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，制定财税、投融资、研究开发、进出口、人才等八个方面政策措施，鼓励集成电路产业和软件产业发展，大力培育集成电路领域企业。2020年11月，新华社授权发布《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二零三五年愿景目标的建议》，集成电路行业是《建议》中明确指出要瞄准的前沿领域，国家将部署、实施相关具有前瞻性、战略性的国家重点科技项目。在市场繁荣与政策激励的双重条件下，FPGA市场迸发勃勃生机，迎来新的历史发展机遇。

2.2 FPGA主要应用场景

  FPGA应用领域日益扩大，从功能与处理性质的角度来看，FPGA主要应用于对信息传输速率要求较高、对信息处理能力要求较高，以及处于创新/孵化/实验论证阶段的企业/行业。除了在传统的数字逻辑接口、可编程片上系统、高性能处理上继续纵深发展，与诸多新型技术与行业的融合，将为FPGA市场打开新的大门。
  从应用领域技术特征来看，FPGA应用场景主要包括集成电路设计、集成电路制造、互联网服务与应用；智能计算、边缘计算、大规模数据分析等以计算任务为代表的新技术应用也占据较大比重；此外，FPGA也在一定程度上应用于机器人、无人机、片上系统等新型系统。

2.3 人才问题成为FPGA发展的桎梏

  当前，FPGA应用处于平稳发展阶段，在诸多行业和场景逐步产生效应，并将持续扩大业务应用范围，业界对于FPGA市场发展普遍看好。然而，FPGA在当前的发展中也存在一定程度的问题和挑战。在中国，企业/科研机构普遍认为缺乏人才、芯片本身和相关人才的高成本是FPGA应用过程中主要面临的挑战，其中，人才匮乏是阻碍FPGA产业发展的首要因素。人才缺口会对国内FPGA产业发展带来诸如人才流动过于频繁、人才培养动力持续不足、严重断层等负面效果。

三、FPGA人才需求与人才培养

3.1 FPGA人才需求特征

  对于FPGA人才具有较大需求的企业/机构主要包括三种类型：
  1、专用集成电路（ASIC）设计企业，FPGA主要用于芯片原型设计与功能验证；
  2、专用设备/系统开发企业，FPGA主要用于中、小规模定制化产品，在其中承担高速数据处理的任务；
  3、科研机构，主要包括高等院校、各类研究所、企业研究院等。
  FPGA主要应用于构建原型实验系统，验证各类新技术的功能。无论何类型企业组织，FPGA一般均具有面向前沿信息科技、承担高速信息处理或传输任务，主要涵盖两个方向，一个是提供实时计算，另一个是用于大规模数据分析与挖掘。
  FPGA应用领域的发展呈现多种态势，对于少数行业与场景，例如电子测试仪器、通信与网络、航空航天等，FPGA应用规模发展速度快，对人才需求量也将迅速攀升。对于其他应用领域，则增长态势平稳，对人才的需求稳中有升。随着新技术的不断出现，FPGA技术应用新场景会不断出现，部分领域可能出现突发式的人才需求增长。
  目前FPGA人才供应并不能很好满足企业/机构对于FPGA技术人才的需求。
  从人才结构来看，目前市场上FPGA人才供应仅能较好满足对初级人才的需求，而超过70%的被访企业/机构认为目前中级水平以上的工程师严重不足，25%的被访企业/机构认为目前国内FPGA研发开发领域缺乏行业带头人式的专家。
  从岗位职责来看，企业所需FPGA人才主要面向基于FPGA的系统设计、研发与测试，人才类型需求可按照系统、产品开发环节特征进行细分，包括FPGA设计（器件选型、方案设计、时序分析、能耗分析、优化综合等）、FPGA验证（算法、功能验证与测试）、外围硬件（开发板、电路板制作）、软件开发（嵌入式系统、驱动与API开发）、文档维护（规范撰写设计文档等），以及具备基础开发能力的综合型人才。

3.2 FPGA人才培养现状

3.2.1 培养主体

  FPGA人才的培养主体可包括三类不同性质的组织：高等院校、培训机构和用人企事业单位。其中：
  1、高等院校的本科阶段主要培养通用型人才，提供数量庞大的初级人才。
  2、培训机构主要面向初级人才提供集中的FPGA知识与实践培训，衔接相关人才仅具备FPGA基础知识的状态与可参与用人单位项目研发的状态。
  3、用人单位作为FPGA人才应用主体，也承担人才培养的责任，可通过项目研发等方式，完成FPGA人才的培养与能力提升。

3.2.2 培养机制

  高等院校的电子信息领域专业通常会开展FPGA相关知识的教学。在高等院校的四年培养体制中，FPGA相关课程基本涵盖FPGA开发的各个环节，过半的被访院校表示，会开设FPGA基础知识、FPGA应用设计、功能验证、算法知识等课程，其中，超过66%的相关课程开设在本科二年级与三年级，而在研究生阶段，FPGA能力培养主要通过项目实践完成，不再设置FPGA基础性、理论性课程。
  培训机构通常采用集中授课、集中实践，并结合考试考核的方式，为用人单位提供针对性强的付费培训服务，其特点是培养时间短、强度大、进程快。其优点是可以在短期内完成相关人才的理论知识、基本实操能力的强化。
  用人单位则更多采用“师带徒”的一对一培养模式，通过项目研发，资深研究人员向新员工传授实践经验。

3.2.3 培养人才的目的和宗旨

  FPGA人才培养的三类主体单位在培养过程中的目的与宗旨有明显差异。
  高等院校着重培养具有综合知识储备能力的理论型人才，这一目标主要通过博士培养完成；其次是培养具有软硬全栈能力的FPGA研发、应用的实践型人才，这一目标通过硕士培养完成；最后是培养具有相关知识素养的通识型人才，这一目标通过本科阶段培养实现。同时，在培养过程中，注重发掘具有创新、攻坚、科技成果能力转化的领军型人才。
  培训机构则专注于FPGA开发实践能力的快速培养，完成对相关人才快速上手、熟练操作的训练。同时，培训机构的课程设置会与用人单位需求紧密结合，在短期使得学员具备企业要求的相关研发能力。
  用人单位的FPGA人才培养目标往往朝着两个方向发展：一方面是通过实战开发经验的长期积累，形成具备总体设计、架构设计能力的企业研发领军人才；另一方面是掌握熟练的FPGA研发技巧，成为项目研发过程中的骨干，同时可以为用人单位新入职员工提供更好的培养环境。

3.2.4 FPGA人才培养过程的挑战

  1、缺乏师资力量与核心技术：目前，无论是高等院校、培训机构，还是用人单位，FPGA人才培养的主要困难是在数量上和质量上缺乏师资。FPGA知识体系的特点是实践比重远高于理论知识比重。然而，大部分教育从业人员缺乏足够的实践经验积累，没有通过FPGA应用开发与研发项目掌握核心能力。因此，教学、培训质量也受到较大影响。
  2、缺乏生源：高等院校是提供FPGA从业人才的源头。虽然在高等院校，电子信息大类的学生招生人数众多，然而，在人才成长过程中，大部分学生更愿意选择偏向理论与软件、网络应用的课程进行学习。在研究生阶段，学生更多希望能够选择偏“软”的课题，回避学习面向硬件描述的语言，造成缺乏从业人口基数的问题。
  3、缺乏体系性培养：FPGA属于信息领域的通用型工具。因此，在高等院校的专业体系中，并没有针对FPGA技术与研发设立专业。FPGA课程的体系散布于自动化、通信、计算机、物联网等各个专业。各专业课程既有重叠，也难于完整覆盖FPGA知识体系，没有形成完整的培养体系。
  4、实践环境缺乏：FPGA人才培养需要大量的实践。然而，高等院校受限于教学经费体量，往往难于搭建大规模先进的FPGA实验环境，无法胜任大批量人才培养任务。培训机构由于专注短期培训，也往往不具备较高水准的实验环境。
  5、与企业需求脱节：在实际教研和人才应用过程中，院校的培养目标与企业需求往往有偏差，难于统一，削弱了高校培养与机构培训对于企业的价值与意义，不利于形成良性循环。

3.3 FPGA人才发展面临的困境与需求

3.3.1 人才发展困境

  人才培养以人为本，除去企业需求因素以外，FPGA人才的发展空间与潜力也是制约FPGA应用产业的核心原因之一。目前，FPGA人才自身的发展存在以下诸多问题，这些问题已经逐渐成为阻碍高校学生投身FPGA应用与研发的主要矛盾。
  1、培养门槛：相对于信息领域其他专业，FPGA应用研发需要同时掌握FPGA开发知识与应用领域的专业知识，无形中大幅提高了准入门槛。由于精力受限，高校学生往往难于在FPGA相关课程与较深入的专业课程同时投入充足时间，从而影响了学习效果。
  2、培养周期：有别于理论知识学习、应用系统开发、软件编程，FPGA研发能力从入门到精通需要漫长的过程。高校毕业生（尤其是本科毕业生）往往难于直接融入用人单位的研发项目中，首先需要完成相关技能培训任务；即使在完成培训后，也需要在项目研发过程中经过长期的磨练，方能较好地承担FPGA研发任务。因此，FPGA人才成长过程中需要接受长期、多方位的指导和支持。
  3、职业特点：FPGA研发包含复杂的逻辑、代码、测试工作，CAD（计算机辅助设计）工具还远远不足以替代人工完成相关任务。因此，FPGA研发从业人员工作强度高，需要较高精力投入。另一方面，长期局限于FPGA开发，知识体系难于扩展，使得人才后期发展空间严重受限。

3.3.2 人才良好的成长环境需要

  数据显示，FPGA产业收益将在长期内持续稳定增长，对人才的数量与质量需求居高不下，但同时也应该从多方面为人才创造良好的成长环境，才能形成企业-人才双赢的局面。
  对行业人才供给：多层级、稳定的人才体系
  FPGA用人单位对人才的需求主要集中在高级工程师与专家群体。然而，高级人才的成长都从初级阶段开始，任何行业的人才体系都呈现金字塔体系，即从初级人才到高级人才的规模由大到小递减。因此，FPGA产业需要形成多层级、稳定的人才成长体系，通过高校培养与机构培训的结合，保证充足数量的初级、中级FPGA人才培养，才能向用人单位输送稳定的高级人才。
  对个人职业生涯：稳定、可发展的成长路径
  FPGA相关企业和机构不仅是用人主体，也是人才成长环境的提供者。在对人才提出各类需求的同时，也应针对FPGA应用研发技术的特殊性，为个人的职业成长提供稳定、可持续发展的途径。首先，为从业人员提供不同层次的纵深培训资源，保持人才能力的持续增长；第二，为从业人员提供相关领域的横向学习机会，扩展人才的知识领域；第三，为从业人员在年龄增长、精力减退时提供适应的工作岗位与任务，充分发挥人才的优势与作用。

小结

  FPGA人才培养需要联合社会多方力量，形成人才的积累与更新，为人才成长之路实现全程的体系性支持，以匹配、支撑FPGA应用产业的进一步发展。

关于英特尔FPGA中国创新中心

  英特尔FPGA中国创新中心是英特尔全球产品事业部与英特尔中国共同规划的战略项目，是英特尔公司全球最大的一个聚焦FPGA技术与生态的创新中心，也是英特尔在亚太地区唯一的FPGA创新中心。中心坐落于西部（重庆）科学城的中心地带，依托英特尔在科技行业多年的领导力及遍布全球的生态合作伙伴，打造具有全国影响力的科技创新中心。
  FPGA人才培育作为英特尔FPGA中国创新中心的核心工作之一，创新中心推出全方位FPGA人才培育体系，依托英特尔全球量领先的FPGA技术，线上学习与线下培训相结合，提供初级、中级、高级和专家级技术培训；推动FPGA专业教材建设，推出“英特尔FPGA中国创新中心系列丛书”；加强校企合作，推进产学融合，携手高校建立联合实验室；搭建实训平台，在FPGA专业技术人才培养、项目研发、科研设备共享等方面的深度融合。
  未来，依托运营合作伙伴海云捷迅科技有限公司在开源云计算领域的深耕与贡献，提供辐射全国的技术支持、人才培养、市场推动、品牌推广、渠道与产业对接等全方面服务，全力助推中国FPGA生态建设，培育专业人才，孵化创新项目，加速FPGA产业发展及应用落地，推动数字经济与传统产业深度融合，为新一轮科技创新添加新动能，打造中国FPGA领域的人才与产业高地。