《电子技术应用》

解读国产FPGA现状,发展需靠自力更生

2018/5/11 20:18:01

  2018年上半年对于中国半导体行业而言是多事之秋,发生了几件让国人深入思考的大事。我作为IC产业的逃兵,最近也在思考很多的问题,包括资本市场、集成电路行业和研究所的一些不成熟的想法。

  2008年进入华中科技大学电子系,中科院半导体所毕业后进入联发科从事手机芯片开发(没错,就是卖的不怎么好的X30)。离开MTK之前有一段小插曲,招我进联发科的老大后来自己出来创业做安防芯片,当时喊我去他的团队,其实从一个技术员工或者说前途上看,选择前老大公司是确定无疑最好的出路(优秀的老大,出色的技术,看得见估值增长)。不过我最后还是选择了成为二级狗,整个芯片行业其实对于技术人员的需求量还是非常高的。

  我想把芯片行业分为几个类别:数字芯片、模拟芯片、射频芯片以及FPGA分开来说说,希望自己在总结知识的同时有机会和大家多多沟通交流。

  今天先就从FPGA开始说起吧。

  FPGA——现场可编程门阵列,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。换个简单通俗的介绍方式,就好比一个全能运动员,游泳如孙杨、跨栏像刘翔、网球能力堪比李娜,FPGA就是这么神奇的可以通过设定而实现各种复杂的功能电路。FPGA的核心优点:可编程灵活性高、开发周期短、并行计算可编程灵活性高。同时FPGA也有自身的很多需要解决的问题,FPGA限制因素:成本、功耗和编程设计。

  市场空间:

  根据权威市场调研机构Gartner数据显示,2014年全球FPGA市场总规模达到50亿美金,其中,中国的市场份额有15亿美金,中国市场占全球市场的三分之一。分析机构预计2015年至2020年全球FPGA市场的年复合增长率为9%,到2020年全球FPGA 市场规模将达84亿美金。

  具体细分领域来看,在FPGA被用于深度学习之前,FPGA主要有3大应用方向:(1)通信设备的高速接口电路设计,FPGA可以用来做高速信号处理,一般如果AD采样率高,数据速率高,这时就需要FPGA对数据进行处理,比如对数据进行抽取滤波,降低数据速率,使信号容易处理,传输,存储;(2)数字信号处理方向/数学计算方向,包括图像处理,雷达信号处理,医学信号处理等,优势是实时性好,用面积换速度,比CPU快的多;(3)SOPC,即利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境,然后设计者在上面进行嵌入式软件开发。

  FPGA国际市场

  1984年Xilinx刚刚创造出FPGA时,它还是简单的胶合逻辑芯片,而如今在信号处理和控制应用中,它已经取代了自定制专用集成电路(ASIC)和处理器。短短30年的历史长河中,超过上百家行业巨头杀入这个市场,不过最后大部分都铩羽而归。这些公司包括了Intel、Philips、Agere Systems、AMD以及摩托罗拉等国际知名的芯片设计厂商。这是因为,赛灵思和Altera在这个领域深耕几十年,两家持续不断地军备竞赛,占据了90%市场,提前布局的专利保护对后来者形成了强大的市场壁垒,几乎封锁了所有通向FPGA商用产品的通途。而Microsemi和lattice,QuickLogic曾经挑战他们的霸主地位,但是他们的市场份额加起来也不到10%。而最后也因为种种原因市场份额不断下滑,并没有实现对双寡头的突破和挑战。

  可以说,FPGA是全球芯片设计业最需要技术和垄断突破的产品之一,在所有的芯片领域中属于最难以突破和打破格局的技术产品。

  Xilinx:发明的FPGA颠覆了半导体世界,创立了Fabless(无晶圆厂)的半导体模式。Xilinx的产品组合融合了 FPGA、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 器件,以及全可编程的开发模型,包括软件定义的开发环境等。产品支持 5G 无线、嵌入式视觉、工业物联网和云计算所驱动的各种智能、互连和差异化应用。2014年12月,Xilinx的20nm芯片实现量产,2015年Xilinx紧接着推出新的16nm FPGA和SoC,并采用新型存储器UltraRAM,因此继28nm和20nm之后,继续在行业中保持领先。公司产品纵向布局各个制程,因为20nm、28nm、40nm等制程的产品会在市场共存,以满足复杂度不同的各种应用。

  Altera:是世界上“可编程芯片系统”(SOPC)解决方案倡导者。结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权(IP)和技术服务,在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。2015年,英特尔宣布以167亿美元收购FPGA厂商Altera。这是英特尔公司历史上规模最大的一笔收购。随着收购完成,Altera将成为英特尔旗下可编程解决方案事业部。在和Xilinx的制程战之争中,两家巨头各领风骚,Altera路线图中,最近的产品系列"Cedar"(替代Cyclone)采用了台积电16nm工艺将在2016年上半年交付使用。"Oak"系列采用英特尔的14nm工艺,于2016年下半年交付,"Sequoia"采用英特尔的10nm工艺,将于2018年上市Altera将赢得10nm工艺节点之战。

  Lattice:Lattice(是全球智能互连解决方案市场的领导者,也是全球第二大FPGA厂,提供市场领先的IP和成本低、功耗小、小尺寸的器件。产品主要有三大块:可编程逻辑;视频传输;毫米波解决方案。公司的最终用户主要是通讯、计算机、工业、汽车、医药、军事及消费品市场的原始设备生产商。在双大哥的夹击之下,Lattice的路也是走的越发艰难,在中高端市场难以与前两者抗衡。

  中国的破局

  紫光集团想通过购买Lattice快速发展,受到美国外国投资委员会(CFIUS)的审查和特朗普政府的反对后收购以失败告终。那对于国内FPGA如何破局,如何发展,在无法通过外延引入技术的条件下,国内也只能通过人研发和技术积累打破当前的这种格局。

  京微雅格:公司聚集了最早在FPGA行业耕耘与尝试的一批技术精英,他们采用了SoC FPGA的战略,片上整合了DSP、Memory、MCU等单元的CME-GM7系列,试图通过整合的优势打破FPGA市场的壁垒。这个公司实际上有两条产品线:1、自身从头研发的,面向中低端市场的金山系列;2、收购美国CSwitch的产品线,面向高速通信市场。

  产品型号:M7华山系列;HR3纯FPGA低功耗系列;M5金山系列;M1衡山系列。

  不过比较可惜是,在特定的国内行情和市场环境下,公司在发出自己最强音后也由于种种原因走入困境,让自己举步维艰。FPGA对技术支持的门槛相当高,由于京微雅格没有办法做到Pin-Pin,所以需要每一个产品都要有技术工程师保持长时间的维护和跟进,但是产品的成功率还可能不到10%,这样的市场环境下,公司会陷入一种非常被动的局面,长时间的战略失误让京微雅格陷入了人才、资本和发展僵局。

  京微雅格的失败有很多值得思考的地方,FPGA产业的成功不仅在产品,还在于产品线的生态系统平台建设。这个生态系统平台包括:FPGA芯片、EDA工具、IP库……缺一不可。完善的生态系统能够提供给用户更全面的设计资源,从而突出系统优势,迅速适应各种市场应用变化,快速抢占市场高地。同时,市场上的认可是决定芯片厂商能不能在高速的产品迭代中实现技术和资金的积累的重要因素,任何不被市场接受的高性能产品都是失败的。

  黄埔军校之后的国内格局

  京微雅格在FPGA上的努力和成果给了本土后继者很大的动力;京微雅格很多的技术研究人员在进入了后续成立的上海安路科技,AGM和高云半导体团队里。也就是说,京微雅格在中国FPGA领域的开山鼻祖一样的存在使得散乱后的技术人才分散都国内其余的公司中,成为了人才与技术的黄埔军校。

  高云半导体:高云半导体的CEO朱璟辉和SVP宋宁都来自于Lattice团队,尤其是朱璟辉,从清华大学毕业后,1996年-2011年任职Lattice,历经七代FPGA产品的研发,曾获得11项美国专利,5项中国专利,目前还是科技部863计划的可编程器件重大专项的技术负责人。而另一个核心人物宋宁除了任职Lattice高工,还任职过Cadence高工。目前负责高云半导体FPGA全流程软件开发,对FPGA架构、硬件设计、软件研发同步开发有独到经验。所以,Synopsys为高云提供前SynplifyPro高云版端软件软件,也是中国唯一由新思授权的FPGA前端软件。

  低密度非易失性FPGA已经完全取代传统CPLD,并成为低密度FPGA市场的绝对主力,每年约5亿美元的市场销量。可以说,高云半导体切入和对标的是Altera MAX V10和Lattice XO2/3;100万门-500万门易失性FPGA产品,采用台积电55nm基于SRAM,可与Xillinx Spartan及Altera Cyclone系列PK。近日,高云宣布研发成功了GW3AT-100,这是国内首款28纳米中高密度FPGA,由台积电代工。

  上海安路科技:上海安路信息科技有限公司成立于2011年,总部位于浦东张江,创始人为文余波。公司创始人及核心团队来自海外高级技术管理人才、国外FPGA公司产品开发骨干以及学术界资深FPGA科研人员组成。公司研发团队60%以上是复旦、交大、UCLA、UIUC等国内外高校的硕士或者是博士,具有很强的研究能力和设计水准。核心工作成员大多数在世界前五的FPGA公司和EDA公司中从事数十年以上技术研和管理工作,参与开发了多款世界领先的FPGA 芯片和最好的EDA 开发系统。安路当前已经形成了从小规模CPLD(Elf-300、Elf-650)到2百万门FPGA(EG-4、AL3-6、AL3-10、AL3-S10、EG-20、EG-D20)的系列器件,以及一颗已经实际应用了的千万门级FPGA IP核(AL3-130)。华大半导体入股之后,其作为国内最大的国产EDA软件商华大九天与作为自主FPGA厂商安路科技,双方在EDA工具上的合作空间,包括互补性上,都具有很大的想象力。

  AGM:上海遨格芯微电子有限公司(AGM)成立于2012年,是国内领先的以可编程逻辑技术为基础,提供应用市场SoC芯片的半导体集成电路无生产线设计公司。由来自美国硅谷知名可编程逻辑芯片企业的团队和国内资深工程团队创办。AGM是以开发自主产权的编译软件开始,兼容切入现有FPGA软件的生态链。看到智能手机风口的AGM也不失时机出了一款用于智能手机和loT的FPGA芯片,在助力客户逐渐退出低端市场之时,把握住机会,通过价格优势抢夺低端市场。通过最近几年的不断地产品迭代和市场扩展,AGM悄悄地积累了比较稳定的客户,产品线也开始丰富起来,成为了国内FPGA的一批发展迅猛的黑马。

  同创国芯:国产化替代率最大,利润最高的军工院所应用市场,基本上被同创国芯(深圳国微)垄断。连当年的竞争对手成都华微,也是基本没有了声响。而且,同创国芯的民用拳头产品Titan PGT30G已量产,该系列芯片可编程逻辑器件采用了完全自主产权的体系结构和主流先进制造工艺,带有DDR3和PCIe接口,是国内少有的千万门级FPGA。另外采用了台湾联华UMC代工先进的40nm制程,在国内领先。正在中兴通讯,烽火通信试用。

  FPGA行业的发展靠自力更生

  国内FPGA的发展只能依靠自主,这个必然需要漫长的等待和尽心的呵护,但除此之外没有更好的选择。芯片的自主设计是实现信息安全的最底层保障。这也是为什么与信息处理相关的基础芯片(手机芯片、PC处理器等)需要实现自制的原因。在目前FPGA的技术和供给几乎全部来源于美国,包括欧洲和日本等技术强国也没有掌握到核心技术。

  对于中国而言,国家促进集成电路发展已经提升至国家战略。同时特殊的应用场景(军工、导弹、航天航空)要求的FPGA是涉及到国家安全和领土安全的,对芯片的要求也会比较严谨,但这一块本身高性能的产品国外对中国是禁运的,这也从另一方面促成国内FPGA自己满足的契机。目前,国内生产的FPGA主要用于军工、通讯、航空航天等领域。

  在民用领域,国内是FPGA需求最大的市场,现在Xilinx、Altera最大的客户就在中国,通讯市场华为中兴烽火包揽了全国60%以上的量。同时人工智能芯片需求的高速并行计算对FPGA芯片的需求也在几十亿美元的数量级,而国内是人工智能高速芯片发展最快,需求最大的市场。中国FPGA的发展红利在于需求市场足够大,有需求就要有相应产品来支持。这对于国内厂家就是机会,目前,同方国芯片已经和华为中兴合作,想实现一部分的国产替代。

  最后,从技术角度来说,我们已经不像10年前基本不懂核心技术。国内半导体产业链的不断成熟完善,以及芯片设计能力的不断加强,我们自己可以自主设计和流片ARM架构的手机CPU(海思麒麟、大唐联芯),并成功实现商业化,这在10年前都不敢相信。在我们在过去积累的技术沉淀和创新能力,已经使得我们在FPGA的特定应用领域(军工、通讯)实现一定程度上的自我供给。未来也可能类似于CPU+FPGA用于云数据中心节中,这些应用领域都是信息高度敏高的地方,使用自主设计的芯片更能实现安全可控。

  后面,我还要说说我和IC界的朋友交流和我自己的一些感悟。

  1.大家为什么对于技术的追求会停留下来。因为对于很多人来说,等到技术产生产品并融到资金后,实现技术积累到资本积累了。技术再产生的价值短时间内比资本产生的价值会慢很多,多数人会从技术上转向资本市场。这样一遍遍反反复复,所以能看到在技术达到一定的平台后会长时间的原地踏步,后来者也会跟随前面人的脚步。

  2.所谓的产业扶持,切不可本末倒置和打着旗帜反革命。芯片不简单的是需要资本的支撑,因为不完善与不合理的资本炒作反而会使的行业在潮水退去后一地鸡毛。芯片更多的属于技术积累型行业,所有的产品和参数都需要技术员工在工作中不断地去突破和思考,而对于这样一群工程师来说,报酬如果不匹配劳动支出,行业内的技术人才出走与流失是再自然不过的事情了。因此,产业的扶持不仅仅是资本对公司层面的支撑,更需要落实到一个个基层中的技术员工。

  3.芯片行业起步容易,往上层走会很难。芯片做到一定程度后,不再是简单的技术积累能解决的,一定需要对物理和数学有比较深的认知,在整个高的角度去处理基础难点,而这对人才的需求地要求是非常高的。

  4.市场需求端,任何一种芯片从推出到应用,需要几代产品的更迭。国内芯片起步晚,产品性能和国外差距较大,因此会形成一种困局:国内应用端不用国内产品,国内产品更迭跟不上会导致公司倒闭或者产品无法持续更新。国外芯片行业干了几十年,技术路线上的坑和陷阱被先行者填补了很多,而芯片行业并不存在后发优势,之前别人留下的坑还会继续存在哪里,甚至还需要去避免国外厂商在探索过程中申请的成千上万的知识产权保护新增的坑。

  5.芯片行业的国产化任重而道远,我们需要在整个过程中慢慢的去探索。急功近利和空喊口号只不过给了投机分子空间可钻。呵护芯片行业同时也要提升技术人员的福利。

  后面会陆陆续续的再说一下我了解的国内外模拟芯片的事吧。


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