《电子技术应用》

国产FPGA如何破局?

作者:大王
2018/5/29 16:34:00

  FPGA门槛之高在芯片行业里无出其右,几十年来全球有60多家公司先后斥资数十亿美元,前赴后继地尝试登顶FPGA高地,其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄,但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司:Xilinx、Altera(2015年被英特尔收购)、Lattice、Microsemi(接近被Microchip收购,已完成了美国的反垄断审查,等待中国商务部的批准中)。其中,Xilinx与Altera这两家公司共占有近90%的市场份额,专利达到6000余项之多,如果算上Lattice和Microsemi,这个数字将达到10000以上,如此之多的技术专利构成的技术壁垒注定高不可攀。

  但出于国家经济发展和国防安全考虑,中国政府多年来投入了数百亿科研经费,通过逆向工程方式仿制美国对我禁运的FPGA产品,从而积累了一定的技术和产业基础,形成了以正向设计为主的开发方式。在军工航天领域,主要企业包括紫光同创、复旦微电子、华微电子、中电科58所、航天772所等;在民品领域,主要企业包括广东高云、上海安路、西安智多晶、上海遨格芯等。

  但截至目前,FPGA的国产化进程进展可谓缓慢。国内厂商FPGA产品在中国市场的份额总计不足5%,占全球市场几乎为0%,这是一个令人非常沮丧的数字。不仅如此,国内厂商在技术水平和国外大厂的差距也很大。国产FPGA基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的,但大多是逆向工程的产物,或商业收购的结果,比如京微雅阁就依靠美国CSwitch公司开发出具有自主知识产权的Tile架构。在对性能要求更高的应用场合,自主FPGA依然很难替代Xilinx和Altera的产品。如何打破这一僵局,有效布局FPGA产业,取得实质成果,是当前中国FPGA企业需要思考的一个问题。

  以史为鉴 吸取经验教训

  十年来,有几十家企业意图进入FPGA市场,除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。他们失败的原因也是中国本土企业所面临的问题。总的来说可以概括为以下4条:

  1)支持方或投资方资金的持续性问题。FPGA的研发周期是一个不同于ASIC等其他芯片的研发。可能一个5年的周期不足以为奇,甚至7年,包括市场分析与定位、架构/硬件实现、软件支撑、芯片制程、测试、封装、筛选等。对于芯片而言,这个过程很难一次流片就保证无任何问题;对于软件而言,需要可能两代以上的迭代积累与适应芯片的各项功能。等万事俱备后,application的实施、Marketing的推广宣传,最后才到客户手上。很多投资方没有这么多时间、精力和资金来玩这个游戏。很多startup公司正是因为资金链的中断,而退出市场。

  2)市场与芯片定位问题。因为在FPGA高度垄断的情况下,如何突破,如何创新一直是困扰startup公司的难题。做中低端产品,在同样工艺节点下,如何解决芯片cost、performance和功耗问题是关键。在架构创新的同时,可能会带来潜在的风险,需要等待一定周期的市场检验。另外当你还处在第一代产品的研发中,那几家FPGA巨头不论是在工艺上、成本上、性能上、功耗上都不会输给你。如果做高端产品,如何把你的产品的可信度(可靠和安全)建立起来是很重要的问题。因为你刚进入市场,几乎没有叫得响亮的客户。试想别人会把你拉入采购名单吗?很多startup公司还没来得及想清楚这个问题,就被无情地请出了这个竞争格局。

  3)软件与硬件配合问题。FPGA麻雀虽小、却五脏俱全。即便做出了一个很powerful的芯片,但如果没有有效率的软件支撑,也是徒劳无用。如何将软件与硬件天衣无缝地结合在一起,是一个难题。不论在大公司小公司,都需要花大量地时间去论证。另外随着系统设计越来越复杂、性能要求越来越苛刻,软件在保证产品上市进程中扮演的角色也越来越重要。没有自主创新的软件,一定会失败!很多startup公司之所以相继落马的原因是,软件不能很好地配合硬件工作。

  4)应用工程师的培养问题。有了好的硬件和软件,还不足够;还需要更多的AE团队进行支持。我们经常说到,如果把FPGA产品研发中硬件所付诸的努力比作"1"的话,那么软件要付诸的努力就是"2",而开发应用所付诸的努力则要远远大于"4"。如果一个FPGA产品,没有好的应用支持团队,开发各类相关的应用,也很难在市场上有所表现。根据市场生存法则,你的产品很快就被吞噬,不久将来也会被淘汰。很多startup公司也是因为没有好的应用工程师团队,不能开发出有竞争性的产品应用,而导致流产。

  解决方案可简要概括为以下四点:一是不能以技术为导向,要重视市场;二是要保证持续的资金投入;三是市场与芯片定位要做好,去找市场中尚存的空白领域;四是软硬件配合完善,有了完善的硬件,还要在软件提升方面投入较多力量。

  举国之力 走自主发展路线

  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,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。

  随着人工智能、大数据、物联网、无人驾驶、5G通信的兴起,FPGA的市场前景会越来越广。国内FPGA厂商要以点带面、加强整机企业对国产FPGA产业的牵引作用、借助国家重大项目推动国产FPGA产业发展、适当引入资本市场,推动产业的快速发展。多管齐下,国产FPGA的春天终将到来。到那时,我们定要重塑FPGA产业新格局。


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