Rapid Silicon：开放式 FPGA、RISC-V 与新一代可编程芯片厂商
Rapid Silicon 是一家专注于 FPGA、可编程逻辑、FPGA EDA 软件和半导体 IP 的美国芯片公司。
公司成立于 2021 年，其目标是把开放源代码开发模式引入长期由少数大型厂商主导的 FPGA 市场，通过 FPGA 芯片、开放式设计工具以及可复用 IP，为嵌入式、工业、通信、边缘计算和其他可编程系统提供新的选择。
与 AMD Xilinx、Intel Altera、Lattice Semiconductor 和 Microchip 等传统 FPGA 厂商相比，Rapid Silicon 的一个突出特点是强调“Open FPGA”理念。
公司不仅开发 FPGA 硬件，同时开发以开源技术为基础的 FPGA 设计工具，希望降低 FPGA 软件生态封闭、工具成本高和用户迁移困难等问题。
Rapid Silicon 在成立初期就把低端到中端 FPGA 市场作为重要切入点，并试图通过 RISC-V、硬化接口 IP 和开放软件生态形成差异化竞争。
Rapid Silicon 的公司背景
Rapid Silicon 的联合创始人兼 CEO Naveed Sherwani 在半导体行业拥有多年经验，曾参与多家芯片和 RISC-V 企业的管理工作。
Rapid Silicon 团队聚集了 FPGA、SoC、EDA、处理器和半导体 IP 领域的工程人员，希望重新设计传统 FPGA 的硬件和软件开发模式。
公司在 2023 年宣布完成 1500 万美元 Series A 融资的第一阶段，由 Cambium Capital 领投。
当时 Rapid Silicon 表示，资金将用于扩大 FPGA 产品组合、推动首款 FPGA 产品进入市场，并继续开发基于开放源代码技术的 FPGA 软件工具。
Rapid Silicon 的战略并不是简单复制现有 FPGA。
它更希望解决传统 FPGA 市场中的几个长期问题，包括芯片设计周期长、EDA 工具封闭、开发成本高、软件生态被特定厂商控制，以及中低端 FPGA 产品更新速度相对较慢。
Gemini FPGA 系列
Gemini 是 Rapid Silicon 最具代表性的 FPGA 产品系列，也是公司进入商业 FPGA 市场的重要硬件平台。
Gemini 面向嵌入式和边缘计算应用，采用 TSMC 16nm FinFET 工艺。
与传统只包含 LUT、RAM、DSP 和 I/O 的 FPGA 不同，Gemini 在芯片中加入了大量硬化功能模块，希望把 FPGA、处理器、存储控制器和通信接口整合到一个芯片平台中。
Gemini FPGA 的可编程逻辑规模规划在大约 50K 到 100K Logic Elements，也就是约五万到十万个逻辑单元。
这使它主要定位于中等规模 FPGA，而不是与拥有数百万逻辑单元的超高端 FPGA 直接竞争。
Gemini 的 FPGA Fabric 采用 6 输入可分割 LUT，也就是 6-input fracturable LUT。
一个 LUT 可以作为完整的 6 输入查找表使用，也可以拆分成两个共享部分输入信号的 5 输入 LUT，从而提高逻辑资源利用率。
每个基本逻辑单元还包含寄存器、加法进位结构以及相关控制逻辑。
这种架构与现代主流 FPGA 的设计思想类似，通过 LUT、寄存器、Carry Chain、Block RAM、DSP 和可编程互连网络组成大规模可重新配置数字电路。
集成 RISC-V 处理器
Gemini 一个非常重要的特点，是直接在 FPGA 中加入硬化 RISC-V 处理器。
根据 Rapid Silicon 公布的产品资料，Gemini 集成一颗 32 位 RISC-V 实时应用处理器，运行频率最高约 533MHz，同时具有指令 Cache、数据 Cache 和片上程序存储器，并支持自定义指令。
这里的“硬化处理器”与在 FPGA LUT 中实现一个 Soft CPU 有很大区别。
Soft CPU，例如在 FPGA Fabric 中实现一个 RISC-V CPU，需要消耗 LUT、寄存器和片上 RAM，同时最高运行频率通常也受到 FPGA Fabric 性能限制。
硬化 RISC-V CPU 则是直接制造在芯片硅片中的固定电路，不占用 FPGA LUT，因此通常可以获得更高性能、更低功耗和更小芯片面积。
这样一来，工程师可以让 RISC-V CPU 负责运行控制软件、通信协议和嵌入式程序，而 FPGA Fabric 同时负责并行处理、实时控制、接口转换和硬件加速。
FPGA + RISC-V 的 SoC 架构
这种结构实际上已经使 Gemini 不再只是传统意义上的 FPGA，而更接近 FPGA SoC。
例如一个工业控制系统可以让 RISC-V CPU 运行 C/C++ 控制程序，而 FPGA Fabric 同时处理高速 ADC 数据、PWM、电机控制、工业总线接口或者专用数字逻辑。
CPU 擅长执行复杂的软件和条件判断，而 FPGA 擅长真正的并行处理。
把两者放到同一颗芯片中，可以减少 PCB 上的芯片数量，同时降低 CPU 与 FPGA 之间的数据交换延迟。
这也是近年来 FPGA 行业的重要发展方向。
AMD Xilinx Zynq 将 ARM CPU 与 FPGA 集成，Intel SoC FPGA 采用类似架构，而 Rapid Silicon 则把开放的 RISC-V 指令集引入这一方向。
DSP 计算资源
Gemini 同时集成专门的 DSP 计算单元。
最大器件规划拥有最多约 325 个 18×20 乘法器模块，并支持 Multiply-Accumulate，也就是乘加运算。
DSP Block 是现代 FPGA 中非常重要的资源。
虽然理论上可以用 LUT 构建乘法器，但是这样会消耗大量逻辑资源，而且速度和功耗通常不如专用硬件乘法器。
DSP Block 因此广泛用于数字滤波、FFT、图像处理、视频处理、通信算法、矩阵计算、电机控制和机器学习推理。
例如一个 FIR 数字滤波器需要同时进行大量乘法和加法操作，而 FPGA 可以让几十甚至几百个 DSP 单元并行工作。
Block RAM
Gemini FPGA 最大配置提供约 11.7Mbit 的片上 Block RAM，同时还有最多约 256KB 的专用片上 RAM。
Block RAM 是直接集成在 FPGA 芯片内部的高速存储器，可以被 FPGA Logic 访问。
它通常用来实现 FIFO、数据 Buffer、Lookup Table、小型缓存、图像行缓存、状态存储以及 DSP 数据处理。
与外部 DDR 内存相比，Block RAM 容量较小，但是访问延迟低，而且可以直接与 FPGA 并行逻辑连接。
DDR 内存控制器
Gemini 还集成硬化 DRAM Controller。
Rapid Silicon 公布的资料显示，其 DRAM Controller 可以支持最高约 1066Mbps 的存储器接口，并支持 DDR3、DDR4、LPDDR3 和 LPDDR4。
所谓硬化 DDR Controller，就是把复杂的 DDR 控制逻辑直接制造在芯片中，而不是完全使用 FPGA LUT 实现。
这可以节省大量 FPGA 逻辑资源，并使工程师更加容易连接外部大容量 DRAM。
对于视频处理、图像处理、工业视觉和数据采集系统来说，外部 DDR 经常是必需的，因为 FPGA 内部 Block RAM 很难保存完整的视频帧或者大量采集数据。
FlexNoC 片上互连
Gemini 架构中另一个比较有特点的部分是 FlexNoC。
FlexNoC 是一种 Network-on-Chip，也就是片上网络互连技术。
Rapid Silicon 把 FlexNoC 作为硬化互连结构集成到 Gemini 中，用来连接 FPGA、处理器、DDR Controller、Ethernet、USB 和其他硬件 IP。
传统 FPGA 内部大量模块之间主要依靠可编程 Routing Fabric 连接。
如果所有高速 IP 都通过 FPGA 可编程逻辑互连，可能会占用大量 Routing Resource，同时增加功耗和延迟。
硬化 NoC 可以把一些高速数据路径从普通 FPGA Routing 中分离出来。
这也是现代大型 FPGA 和 SoC FPGA 越来越常见的设计方法。
Ethernet 与 USB
Gemini 同时集成硬化 Ethernet 和 USB Controller。
对于传统 FPGA 来说，如果需要 Ethernet、USB 或其他复杂协议，工程师往往需要购买或者使用对应 IP，然后利用 FPGA Logic 和外部 PHY 实现。
把协议控制器直接硬化在芯片中，可以降低 FPGA 逻辑消耗，并减少开发复杂度。
Rapid Silicon 特别强调这种 Integration，也就是集成能力，希望让 Gemini 更接近一颗高度集成的嵌入式 SoC，而不仅仅是一块通用 FPGA Fabric。
高密度 I/O
Gemini 最大配置规划拥有超过 500 个 I/O。
Rapid Silicon 产品资料显示，器件拥有超过 520 个 I/O，支持最高约 3.3V 的传统 I/O 标准，同时高速 LVDS 接口速率最高约 1.5Gbps。
大量 GPIO 对工业设备、显示设备和嵌入式 FPGA 非常重要，因为很多应用需要同时连接大量 ADC、DAC、传感器、存储器、通信接口或者其他数字芯片。
高电压 I/O 也具有实际意义，因为大量工业和传统嵌入式设备仍然使用 3.3V 数字接口。
一些先进工艺 FPGA 由于核心工艺越来越低电压，直接支持传统 3.3V I/O 会越来越困难，因此保留这种接口能力对于设备升级和 FPGA 替换具有价值。
Raptor Design Suite
Rapid Silicon 除了 Gemini FPGA 之外，另一个核心产品是 Raptor Design Suite。
Raptor 是 Rapid Silicon 的 FPGA EDA 开发环境，用于完成 FPGA 设计从 RTL 到最终配置文件的完整流程。
典型 FPGA 设计首先由工程师使用 Verilog、SystemVerilog 或其他 HDL 描述硬件逻辑，然后需要进行综合、优化、布局、布线、时序分析以及 Bitstream 生成。
这些工作全部依赖 FPGA EDA 软件。
传统 FPGA 市场中，每一家大型 FPGA 厂商通常拥有自己的专用开发环境，例如 AMD Xilinx 的 Vivado、Intel Altera 的 Quartus Prime、Lattice 的 Radiant 和 Diamond，以及 Microchip 的 Libero。
Rapid Silicon 则选择另外一条道路：大量利用和推动开放源代码 FPGA EDA 技术。
开源 FPGA EDA
Rapid Silicon 把 Raptor 描述为以端到端开放源代码技术为基础的商业 FPGA 设计环境，并把开放工具链作为公司的核心差异化方向之一。
这件事情对于 FPGA 行业具有一定意义。
软件开发人员早已习惯 GCC、LLVM、Linux、Git、Python 和大量开放源代码工具，但是 FPGA 开发环境长期比较封闭。
FPGA 的 Device Database、Routing Architecture、Bitstream 格式和 Place-and-Route 工具往往掌握在 FPGA 厂商手中，因此工程师很难自己修改完整工具链。
开放 FPGA 工具链则允许开发者查看、修改和扩展部分设计流程，也有利于大学、研究机构和芯片公司进行 FPGA 架构研究。
Rapid Silicon 希望把这种开放软件模式带入商业 FPGA 市场。
开源并不意味着全部免费
这里需要区分“Open Source”和“Free”。
Rapid Silicon 强调开放源代码生态，并不意味着所有 Rapid Silicon 芯片、所有 IP 或全部商业服务都是免费的。
它本质上仍然是一家商业半导体公司。
开放式 EDA 的意义主要在于允许更多社区技术、开放工具和标准化接口进入 FPGA 开发流程，从而减少完全依赖单一家 FPGA 厂商专有软件的程度。
对于 FPGA 行业来说，这种模式类似 Linux 对服务器软件生态产生的影响，但 FPGA 硬件远比普通软件更加依赖具体芯片架构，因此真正建立成熟的开放 FPGA 工具生态仍然是一项长期工程。
半导体 IP 业务
除了 FPGA 芯片和 Raptor EDA，Rapid Silicon 也提供多种半导体 IP。
其中包括高速接口、互连和系统级控制器 IP。
例如 Rapid Silicon 已经公布 CXL 3.0 Controller IP，可支持 CXL.io、CXL.mem 和 CXL.cache，并面向 PCI Express 和 CXL 系统互连。
公开资料显示，该控制器支持 CXL 2.0 和 CXL 3.0，并兼容多代 PCIe 标准。
CXL，也就是 Compute Express Link，是近年来服务器和 AI 数据中心非常重要的高速互连标准，可以让 CPU、加速器和内存设备之间进行高速、低延迟以及 Cache Coherent 数据交换。
Rapid Silicon 开发这类 IP，也说明公司的业务范围已经不仅局限于中低端 FPGA。
Embedded FPGA
Rapid Silicon 的技术体系还涉及 Embedded FPGA，也就是 eFPGA。
eFPGA 与普通独立 FPGA 芯片不同。
普通 FPGA 是一颗单独购买、焊接到 PCB 上的芯片，而 eFPGA 是把一小块可编程 FPGA Fabric 直接集成进 ASIC 或 SoC。
这样，一颗 ASIC 在制造完成以后，仍然保留一部分可以重新配置的硬件。
例如芯片厂商可以通过 eFPGA 在产品出货之后增加某些协议、修复部分逻辑问题，或者针对不同客户配置不同硬件功能，而不必重新设计整颗 ASIC。
这对于产品生命周期较长、重新流片成本很高的芯片尤其有价值。
FPGA 与 AI
Rapid Silicon 并没有把 Gemini 定位成与 NVIDIA GPU 或大型 AI Accelerator 正面竞争的 AI 芯片。
但是 FPGA 本身非常适合某些 Edge AI 和实时 AI 工作负载。
例如摄像头产生的视频数据可以直接进入 FPGA，由 FPGA 完成图像预处理、数据格式转换、滤波和部分神经网络运算，然后把结果交给 CPU 或专用 AI Accelerator。
这种方式最大的优势是低延迟和高度并行。
特别是在机器人、工业机器视觉、自动化设备、智能摄像头和其他 Physical AI 系统中，数据通常需要在设备本地实时处理，而不能全部发送到云端。
Gemini 将 RISC-V、DSP、FPGA Fabric、DDR 和高速接口集成在同一个平台中，因此比较适合这类边缘嵌入式系统。
工业控制应用
工业控制也是 Rapid Silicon 瞄准的重要 FPGA 市场之一。
工厂设备通常需要连接大量传感器、电机、编码器、工业总线和实时 I/O。
CPU 虽然可以运行复杂软件，但是 FPGA 可以同时执行大量硬件任务，而且每一个任务都可以拥有确定的时序。
例如一个 FPGA 可以同时处理高速 ADC、PWM、电机编码器、SPI、GPIO 和工业网络数据，而不需要像普通 CPU 一样依靠软件调度逐个处理。
FPGA 因此长期应用于工业自动化、机器人、运动控制、机器视觉和测试设备。
汽车与嵌入式应用
Rapid Silicon 在成立初期就把汽车、医疗、工业和其他嵌入式市场列为潜在应用领域。
现代汽车内部存在越来越多摄像头、传感器、显示器和高速通信接口，而 FPGA 可以用于接口桥接、视频处理、传感器聚合、实时控制和原型开发。
不过，汽车级 FPGA 不仅要求性能，还涉及 AEC-Q100、功能安全、长期供货和严格可靠性验证。
因此具体 Rapid Silicon 产品是否适用于某项汽车量产项目，仍然需要根据相应器件等级和官方认证情况判断，不能只根据 FPGA 架构推断。
Rapid Silicon 与传统 FPGA 厂商的区别
Rapid Silicon 最值得关注的地方，并不是单纯推出另一颗 FPGA，而是尝试同时改变 FPGA 的硬件架构和软件生态。
传统 FPGA 厂商通常形成一个比较封闭的完整体系：
FPGA 芯片由厂商设计。
EDA 软件由厂商开发。
Bitstream 格式由厂商控制。
大量 IP 也由厂商或者其合作伙伴提供。
工程师一旦建立完整项目，就很难轻松迁移到另外一家 FPGA。
Rapid Silicon 则试图把更多开放源代码技术引入这个体系。
如果这种模式能够成熟，开发者未来有可能获得更加透明、更加灵活的 FPGA 开发环境。
但开放 FPGA 生态能否真正成功，最终仍然取决于芯片量产能力、EDA 工具稳定性、IP 数量、开发文档、开发板、社区规模以及客户实际采用情况，而不仅仅是“Open Source”这个概念本身。
Rapid Silicon 的市场定位
Rapid Silicon 最初明确把低端到中端 FPGA 市场作为重要目标，而 Gemini 大约 50K 到 100K Logic Elements 的规模也符合这一定位。
这意味着 Rapid Silicon 并不是首先去挑战 AMD Versal 或 Intel Stratix 这样的最高端 FPGA。
高端 FPGA 通常拥有数十万甚至数百万逻辑单元、大量高速 SerDes、PCIe、HBM、DSP、AI Engine 和复杂的 Network-on-Chip，而且相关 EDA 和 IP 生态经过多年积累。
Rapid Silicon 更现实的机会，是在中等规模 FPGA、Embedded FPGA、开放 EDA、工业设备和边缘计算领域找到市场空间。
这一市场同样非常庞大，而且许多产品并不需要最高端 FPGA。
与 AMD Xilinx 和 Intel Altera 的竞争关系
AMD Xilinx 和 Intel Altera 是 FPGA 行业最重要的传统厂商之一，两家公司拥有非常庞大的 FPGA 产品组合、成熟的软件工具以及几十年积累的 IP 生态。
Rapid Silicon 的资源规模显然无法直接与这些大型企业相比。
它的竞争方式因此更加偏向差异化。
一方面通过新的 FPGA 架构和较高的功能集成度降低系统成本，另一方面通过开放 FPGA EDA 生态吸引开发者。
如果一款产品只需要五万到十万个逻辑单元，却需要 RISC-V、DDR、Ethernet、USB 和大量 GPIO，那么高度集成的 FPGA SoC 有可能比单纯追求最大 FPGA 容量更加实际。
与 Lattice 和 Microchip 的竞争
从产品容量和 Embedded FPGA 应用来看，Rapid Silicon 与 Lattice Semiconductor 和 Microchip 的部分市场可能更加接近。
Lattice 长期在低功耗、小型和中型 FPGA 市场具有很强地位，而 Microchip 则拥有 PolarFire、IGLOO、SmartFusion 等 FPGA 和 SoC FPGA 产品。
这些厂商同样强调低功耗、安全、工业和嵌入式应用。
Rapid Silicon 要进入这些市场，最大的挑战不仅是芯片参数，还包括客户已经使用多年的软件生态、技术支持和长期供货体系。
因此 Raptor Design Suite 和开放式 FPGA 工具生态对 Rapid Silicon 的重要程度，实际上并不低于 Gemini FPGA 本身。
Rapid Silicon 值得关注的技术方向
Rapid Silicon 未来最值得观察的第一个方向，是 Gemini FPGA 是否能够持续形成稳定的商业产品系列，并扩展更多逻辑规模和高速接口型号。
第二个方向是 Raptor Design Suite。
如果开放 FPGA EDA 能够达到商业项目所要求的综合质量、布局布线效率、时序收敛能力和稳定性，它可能成为 Rapid Silicon 最重要的竞争优势之一。
第三个方向是 RISC-V。
RISC-V 和开放 FPGA 在理念上具有天然联系，一个提供开放的处理器指令集，一个试图提供更加开放的可编程硬件平台，两者结合有可能形成一种新的嵌入式 SoC 开发生态。
第四个方向则是 Semiconductor IP，包括 CXL、PCIe、NoC 和 Embedded FPGA。Rapid Silicon 可以不仅依靠销售 FPGA 芯片获得收入，也可以向其他芯片设计企业提供 IP 和相关技术。
总结
Rapid Silicon 是一家成立时间较短但技术路线非常鲜明的 FPGA 企业。
公司试图围绕 FPGA 芯片、开放 EDA、RISC-V、Embedded FPGA 和半导体 IP 建立一个新的可编程逻辑生态。
其代表性 Gemini FPGA 采用 16nm FinFET 工艺，规划提供约 50K 到 100K Logic Elements，并集成 DSP、Block RAM、大量 I/O、RISC-V 处理器、DDR Controller、Ethernet、USB 和 FlexNoC 等资源，使其更加接近一颗高度集成的 FPGA SoC，而不是传统意义上的纯 FPGA。
与此同时，Rapid Silicon 开发 Raptor Design Suite，并把开放源代码 FPGA EDA 作为公司的重要战略方向，希望降低传统 FPGA 软件生态的封闭程度。
从市场定位来看，Rapid Silicon 当前最值得关注的并不是它能否立即取代 AMD Xilinx 或 Intel Altera，而是它能否在中端 FPGA、嵌入式 FPGA SoC、开放式 EDA 和 RISC-V 可编程计算领域建立稳定的产品生态。
如果开放处理器、开放软件和开放 FPGA 工具链继续发展，Rapid Silicon 这种“RISC-V + FPGA + Open EDA”的组合可能形成一种与传统 FPGA 厂商不同的发展路线。
这也是 Rapid Silicon 在全球 FPGA 企业中最有辨识度的地方。