國產(chǎn)高端FPGA突破技術(shù)鐵幕 中低端市場已不被EDA卡脖

相比幾十億出貨量、市場規(guī)模千億美元的 CPU 和 GPU，市場規(guī)模還未超百億美元的 FPGA 并非大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

不過，在提升國產(chǎn)芯片自主化率的大背景下，與 CPU、GPU、DSP 共稱為國產(chǎn)芯片 “四大件”的 FPGA 對于真正實(shí)現(xiàn)芯片國產(chǎn)自主有著基礎(chǔ)性作用，已經(jīng)有中國 FPGA 公司在設(shè)計環(huán)節(jié)打破了對國外公司的依賴，直接參與 FPGA 的全球競爭。

FPGA 的獨(dú)特性，讓國產(chǎn) FPGA 已經(jīng)在中低端市場可以不被 EDA 卡脖子。未來五年，國產(chǎn) FPGA 在高端市場有望深度突破。當(dāng)然，軟硬件技術(shù)挑戰(zhàn)以及全球 FPGA 市場格局的變化都是國產(chǎn) FPGA 實(shí)現(xiàn)高端和極高端市場突破的挑戰(zhàn)。

FPGA 更容易實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代

CPU、GPU、DSP、FPGA 這四大類計算芯片中，F(xiàn)PGA 更容易實(shí)現(xiàn)完全自主可控。這是因?yàn)?，CPU、GPU、DSP 可以歸類為 ASIC 芯片(專用集成電路)，全球范圍內(nèi)想要設(shè)計這三類芯片的公司難以擺脫 EDA(電子設(shè)計自動化工具)三巨頭和美英 IP 公司的依賴。

與此不同，F(xiàn)PGA 設(shè)計流程中用到 EDA 和 IP 需要芯片廠商向客戶提供，以適應(yīng)客戶的要求。全球幾家市占率較高的幾家 FPGA 公司都是向客戶提供自家的 EDA 工具。這就意味著，F(xiàn)PGA 的設(shè)計更容易擺脫國外 EDA 和 IP 公司的限制。

高云半導(dǎo)體總裁宋寧表示：“目前，高云是在國產(chǎn)化進(jìn)程中有實(shí)力提供自主研發(fā)的獨(dú)立完備 FPGA 應(yīng)用設(shè)計體系(IC、IP、EDA 融匯結(jié)合)的公司，打破并打通了 FPGA 設(shè)計中的關(guān)鍵依賴環(huán)節(jié)，直接參與 FPGA 領(lǐng)域的全球競爭 。”

宋寧曾在萊迪斯、Cadence 任職，有多年 FPGA 領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，他進(jìn)一步表示：“國產(chǎn)化替代實(shí)現(xiàn)了 FPGA 應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計流程中 EDA 和 IP 環(huán)節(jié)的全面自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)化，等于建立起一套完整的國產(chǎn)自主的小型化集成電路芯片工業(yè)設(shè)計體系，為最終全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)集成電路芯片工業(yè)(ASIC 類的 CPU，GPU，DSP 等)的自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)化奠定基礎(chǔ)。這就是 FPGA 實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主更為明顯的價值體現(xiàn)。”

目前，國產(chǎn) FPGA 芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，但主打中低端產(chǎn)品。FPGA 芯片的重要性能指標(biāo)之一是查找表(Look-Up-Table，LUT)，LUT 數(shù)量的多少與 FPGA 的性能呈正相關(guān)關(guān)系。

國產(chǎn) FPGA 起步于消費(fèi)電子市場，主打的是低端 (<10K-LUT 級別)和中端 (>100K-LUT 級別) 的 FPGA 芯片，如今正快速涉及通信、汽車市場，主打產(chǎn)品將會從中端 (<100K-LUT 級別) 推向高端 (從 100 至 500K-LUT 級別) 的 FPGA 芯片。

邁向高端的過程對國內(nèi) FPGA 公司而言并非易事。

國產(chǎn) FPGA 邁向高端的三大挑戰(zhàn)

全球 FPGA 市場最近幾年發(fā)生了重要的變化。自 1984 年賽靈思(Xilinx)發(fā)明 FPGA 以來，經(jīng)過多年的整合兼并，F(xiàn)PGA 市場呈現(xiàn)了賽靈思和 Altera 平分秋色，Lattice 和 Actel(2010 年被 MicroSemi 收購)暗中搶占市場份額的格局。

2015 年，intel 以 167 億美元收購 Altera打破了原有的 FPGA 市場格局。

有意思的是，去年 10 月，intel 的競爭對手 AMD 也宣布將以 350 億美元收購賽靈思，預(yù)計交易將于 2021 年底完成。兩大 FPGA 芯片公司相繼被收購是 AI、5G 和云計算的技術(shù)發(fā)展趨勢下的行業(yè)整合，巨頭間的整合也改變著全球 FPGA 市場的格局。

“intel 和 AMD 都是超級 CPU 公司，分別收購兩大 FPGA 公司的目的在于結(jié)合 CPU 的超強(qiáng)算力和 FPGA 超大規(guī)模 I/O 接口與并行計算能力打造下一代 AI 技術(shù)芯片。這必然會讓原來市占率最高的兩大 FPGA 公司不得不轉(zhuǎn)向?qū)Ｗ⒔Y(jié)合高端 CPU 和 AI 的專業(yè)市場。”宋寧表示。

“就拓展市場占有率而言，兩筆收購對奪通用 FPGA 市場的國產(chǎn) FPGA 廠家，包括中國公司，長遠(yuǎn)來說應(yīng)該是利好，因?yàn)閮纱缶揞^公司對通用 FPGA 市場的關(guān)注度會減弱。”

長遠(yuǎn)利好的競爭格局下，國產(chǎn) FPGA 向高端市場邁進(jìn)的軟硬件挑戰(zhàn)依然巨大。高端 (從 100 至 500K-LUT 級別) 和極高端(500K，乃至 1M 或 nM-LUT 以上)FPGA 芯片，先進(jìn)工藝非常重要。

賽靈思在 28nm 工藝節(jié)點(diǎn)的代工廠從聯(lián)華電子轉(zhuǎn)向臺積電后，開始領(lǐng)先于 Altera。到了 20nm，賽靈思進(jìn)一步拉大與 Altera 的差距。之后，Altera 被 intel 收購后轉(zhuǎn)向 intel 的 14nm 工藝，一定程度影響了其產(chǎn)品進(jìn)展，而賽靈思則借臺積電的 16nm 工藝進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢。

2019 年時，兩大巨頭公司相繼發(fā)布了全球 “最大”FPGA。賽靈思在 8 月發(fā)布的全球最大容量的 FPGA 基于臺積電的 16nm 工藝，集成 350 億個晶體管、900 萬個系統(tǒng)邏輯單元。三個月后，英特爾宣布推出全球容量最大的 FPGA，采用 14nm 工藝制造，集成了 443 億個晶體管，在 70×74 毫米的封裝面積內(nèi)擁有 1020 萬個邏輯單元。

國產(chǎn) FPGA 想要在高端和極高端市場成功突破，自然也需要先進(jìn)工藝制程的支撐，但國內(nèi)晶圓代工廠與臺積電、三星這樣全球領(lǐng)先的晶圓代工廠仍有明顯的差距，這給國產(chǎn)高端 FPGA 實(shí)現(xiàn)完全自主可控帶來了挑戰(zhàn)。

除了制造方面的挑戰(zhàn)，宋寧還指出，與高端、極高端 FPGA 芯片相適應(yīng)的 FPGA EDA 工具，包括傳統(tǒng)的前端 RTL-VHDL/Verilog 綜合工具，以及后端布局布線(Place&Rout)工具的自主研發(fā)與自主產(chǎn)權(quán)同樣是國產(chǎn)高端 FPGA 實(shí)現(xiàn)突圍的挑戰(zhàn)。

在制程和 EDA 工具提升的過程中，還會涉及到專利保護(hù)的問題。

”國產(chǎn) FPGA 替代應(yīng)立足全面主導(dǎo)消費(fèi)電子市場的目標(biāo)，以及深度切入通信和汽車市場競爭的方向，這三大 FPGA 傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，仍將是 FPGA 替代機(jī)會最大的市場。”宋寧認(rèn)為。

正在快速發(fā)展的 5G 和 AI 也是不容忽視的好機(jī)遇。

國產(chǎn) FPGA 在 5G 和 AI 時代的大機(jī)會

根據(jù) Market Research Future(MRFR)的統(tǒng)計，2019 年全球 FPGA 市場規(guī)模約為 69 億美元。MRFR 預(yù)計，在 5G 和 AI 的推動下，2025 年全球 FPGA 市場規(guī)模有望達(dá)到 125 億美元，年復(fù)合增長率為 10.22%，其中亞太地區(qū)是重要的增量市場。

通信作為 FPGA 的重要應(yīng)用市場，5G 基站以及終端都對 FPGA 有巨大的需求。目前國產(chǎn) FPGA 在 5G 領(lǐng)域最大的機(jī)會在用戶端消費(fèi)電子領(lǐng)域，尤其在各式各樣的音、視頻轉(zhuǎn)換接口，以及各式各樣的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換接口領(lǐng)域。究其原因還是 FPGA 芯片可編程，多 I/O 的特點(diǎn)非常適合各類轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計。

至于 AI，F(xiàn)PGA 的機(jī)會在于與超強(qiáng)算力的 CPU 結(jié)合，在云端結(jié)合大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測應(yīng)用，例如人臉識別，聲紋識別，身份識別，行為識別等等。“中國擁有全球最大的超級數(shù)據(jù)庫以及與之相關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)類分析、預(yù)測的應(yīng)用場景，所以，國產(chǎn) FPGA 在 AI 領(lǐng)域機(jī)會巨大。”宋寧表示。

作為國產(chǎn) FPGA 的代表之一，高云會如何抓住 5G 和 AI 的機(jī)會突破高端市場?

據(jù)介紹，高云半導(dǎo)體從一開始就致力建立獨(dú)立完備 FPGA 應(yīng)用設(shè)計體系的高度，打造自行開發(fā)的 FPGA 應(yīng)用設(shè)計 EDA 工具，以及成體系的 FPGA 應(yīng)用軟核 IP 庫，在市場需求的變化下，打造具備多樣內(nèi)嵌功能塊硬核的低功耗，小型薄片化 FPGA IC 產(chǎn)品。同時，推進(jìn)高端產(chǎn)品的研發(fā)。

宋寧說：“高云在 5G 市場進(jìn)行了六個方面的產(chǎn)品優(yōu)化和布局，包括核心電壓低至 0.95V 的低功耗化，間距只有 0.4mm 的封裝小型化，將 FPGA 內(nèi)核與多種存儲體內(nèi)核組合的多樣化，將特定功能硬核接口內(nèi)置 FPGA 的集成化，將 MCU 硬核內(nèi)置 FPGA 的智能化，以及面向各種應(yīng)用配備各類軟核 IP 的靈活化。”

“FPGA 類型眾多，功能齊全是高云產(chǎn)品的優(yōu)勢特點(diǎn)。這也是我們多年在產(chǎn)品規(guī)劃、布局的結(jié)果。”宋寧表示。

面向 AI 市場，高云在 2020 年推出了適用于 AI 邊緣計算的產(chǎn)品，利用高云的 FPGA SoC 內(nèi)嵌 MCU，提供快速反應(yīng)、高效處理定制化數(shù)據(jù)，性價比高的 FPGA，與巨頭的超強(qiáng) CPU 與 FPGA 結(jié)合的策略形成差異。

在這個過程中，國產(chǎn) FPGA 也可以從低端的消費(fèi)類音頻 FPGA 市場，拓展到中低端工業(yè)控制、監(jiān)控FPGA 市場，最終邁向中高端的通信、汽車FPGA 市場。

小結(jié)

多個市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，2021 年到 2026 年中國 FPGA 市場規(guī)模有望占到全球 FPGA 市場規(guī)模的一半以上，中國將成為 FPGA 公司的必爭之地。不過，國外公司仍舊主導(dǎo)這一市場的競爭，在國產(chǎn)替代的背景下，包括高云在內(nèi)的國內(nèi) FPGA 公司第一生存級別的競爭對手仍舊是國外公司。

國產(chǎn) FPGA 的高端替代機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存。宋寧預(yù)計，未來五年，國產(chǎn) FPGA 有望在低端和中端市場市場上占主動地位，在高端市場有望深度突破，極高端市場仍任重道遠(yuǎn)。

2018 年，F(xiàn)PGA 國產(chǎn)化率僅 4%，5 年后 FPGA 的國產(chǎn)化率值得期待。

關(guān)鍵詞： 國產(chǎn) 高端 FPGA