《电子技术应用》

国产FPGA发展现状

2018/8/9 22:01:52

过去两年,由于大数据中心和AI等应用的获得,以赛灵思和Intel(收购了Altera)为代表的FPGA产业在市场端倍受热捧,前者的股价和营收在过去两年屡创新高,让大家对这个面世三十多年器件的关注度再度提升。


自赛灵思的联合创始人Ross Freeman在1984年发明FPGA以来,这种极具灵活性的、动态可配置的产品就成为了很多设计的首选。正是因为它的存在,让某些应用的设计、成本和配置变得更简单。随着时间的发展,这类产品也变得日益重要,市场更是可期,很多厂商也开始投入其中,国内也跃跃欲试,且已经出现了不少的玩家。


在进一步介绍我们国内的FPGA产业之前,我们先了解一下全球的FPGA现状。


美国主导,两大巨头割据


经过多年的整并组合,现在国际市场上FPGA的主要玩家有Xilinx、Intel、Lattice、MicrosemiAchronix、Flexlogic和Quicklogic.,其中前四家是传统的FPGA供应商,后两者则从事eFPGA产业;在国内也有高云、安路、京微齐力、上海复旦微、紫光同创和AGM等企业。这些厂商合力创造了一个数十亿美元规模的FPGA市场,尤其是美国厂商,更是FPGA市场营收的绝对贡献者。


根据Paul Dillien的统计数据显示,2015年,全球FPGA的规模为38.74亿美元,2016年这个数字更是到了41.12亿美元。Variant Market Research的数据也表示,在接下来六年,FPGA市场的年复合增长率将会高达7%,可以看到这是一个快速增长的潜力市场。在这些厂商中,当以赛灵思和Intel的表现最为耀眼。


2015年,赛灵思以20.44亿美元的营收雄霸FPGA龙头的位置,他与第二名Intel加起来的份额更是高达91%。到了2016年,市场的总营收达到了41.12亿美元,前两名的占比则超过91%,放大到前五厂商,也都是美国厂商。可以看到,FPGA是一个美国主导,两家厂商高度垄断的市场。别说国内厂商,其他国外厂商也几差不多是夹缝里求生存。

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领先FPGA企业的营收数据表


这两个巨头能获得那么高的市场份额,与他们领先的产品技术和布局有关。


以Xilinx为例,1991年,他们推出了XC4000系列产品,这是全球第一款被广泛使用的FPGA,这系列产品是Xilinx 九十年代的主要收入来源。到了1998年,Xilinx又推出了Virtex FPGA系列,把FPGA架构向前推进了一大步。到了2011年,他们又推出了Zynq-7000系列,2013年推出了可全编程的UltraScale系列。正式这一步步的产品推进,奠定了他们今天的基础。尤其是在高密度FPGA方面,更是Xilinx的核心竞争力所在。当然,期间对Philips CoolRunner、Sarance、AutoESL和Modesat Communications等企业的收购,也是让Xilinx成为今天的Xlinx的另一主要原因。


依赖于这些领先优势,赛灵思在刚过去的2017财年录得了23.5亿美元的营收,市场份额更是达到56%。而在Intel方面,这个原本属于Altera的业务,在去年贡献了19亿美元,较之上一年有了明显的增长。


纵使FPGA是一个壁垒如此高的领域,但因为这个厂商在工业控制、机器人控制、视频控制、自动驾驶和服务器等多个领域拥有巨大的发展潜力,加上潜在的自主可控需求,国产厂商加紧布局。


百花齐放,国产厂商奋起直追


正如前面所说,国内有志之士在国产FPGA领域的耕耘已经有比较长的一段历史。


京微齐力创始人王海力也表示,从上世纪90年代开始,国产FPGA已经经历了从反向设计走向开始正向设计的时代。从2017年开始,国产FPGA则迈入了发展的第三阶段——完备的正向设计时代。在王海力看来,在现在中美贸易的紧张时间,完成了初期积累的国产FPGA正迎来史上最好的机遇。


而据半导体行业观察不完全统计显示,国内目前有以高云半导体、京微齐力、上海安路、紫光同创、AGM和上海复旦微等为代表的数家国产FPGA玩家。


首先看一下高云半导体;


据了解,该公司成立于2014年,是一家专业从事国产现场可编程逻辑器件(FPGA)研发与产业化为核心,旨在推出具有核心自主知识产权的民族品牌FPGA芯片,提供集设计软件、IP核、参照设计、开发板、定制服务等一体化完整解决方案的高科技企业。2015年一季度量产出国内第一块产业化的55nm工艺400万门的中密度FPGA芯片,并开放开发软件下载。2016年第一季度有顺利推出国内首颗55nm嵌入式Flash+SRAM的非易失性FPGA芯片。


聚焦在中低密度的FPGA市场,高云面向通讯、LED显示、工业控制、汽车电子、消费电子、医疗和数据中心等领域推动了晨曦和小蜜蜂两个家族4个系列11颗芯片的量产,产品也获得了不错的成绩。据高云方面预测,他们今年芯片的出货量将会突破1000万片。


高云方面表示,依赖于其优秀核心团队在FPGA的产品定义、构架设计和市场开发几方面十几年的经验积累,加上公司的务实文化,在未来,他们计划稳抓中低端市场,并逐步向高端市场迈进。而公司现在已经密锣紧鼓地投入到了28nm的中低密度的产品研发中去。


其次是京微齐力;


该公司成立于2017年6月,旨在打造一个涵盖可编程FPGA内核,异构计算与存储架构、芯片设计、软件开发、系统IP应用,成为国内以FPGA先进架构/芯片/软件/算法/方案为核心技术的未来异构可编程计算芯片的公司。据公司介绍,他们现在已经在中美申请了近200件发明专利,公司也已量产6颗FPGA芯片(低成本,低功耗和高性能),并封装成几十种不同型号的产品,累计出货超百万片,客户覆盖消费、显示、工控等领域。


京微齐力表示,在未来,他们将持续在FPGA上面深耕,另外还加强在eFPGA,人工智能芯片、异构平台芯片等领域布局,先在中低端的小容量站稳脚跟,然后再往高端前进。高性价比有差异化的创新产品(FPGA芯片)和产品+服务的双轮驱动是他们核心竞争力所在。


第三是上海安路信息科技有限公司;


公司资料显示,上海安路信息科技有限公司成立于2011年,主要专注于为客户提供高性价比的可编程逻辑器件(FPGA)、可编程系统级芯片(SOC)、定制化可编程芯片、及相关软件设计工具和创新系统解决方案。公司目前已形成“Elf 系列CPLD、Eagle系列低成本FPGA、Phoenix 系列高性能FPGA、集成SDRAM SIP FPGA、千万门级FPPGA IP核”等三个系列十余款芯片产品,成功进入了视频显示、通信接入、工业控制、金融机具等多个行业上百家客户应用。公司开发的全流程TD软件系统和硬件芯片完美地结合在一起,提供了用户从前端综合到位流生成的完全开发平台。公司在核心架构、软件算法和系统集成方面拥有多项技术专利。


紫光同创也是国产FPGA的一个重要参与者;


深圳市紫光同创电子有限公司(简称紫光同创),系紫光集团下属紫光国微的子公司,专业从事可编程逻辑器件(FPGA、CPLD等)研发与生产销售工作,产品市场覆盖通信网络、信息安全、人工智能、数据中心、工业物联网等领域。该公司目前的主打产品为Titan系列高性能FPGA  PGT180H和Logos系列高性能FPGA  PGL22G两款。按他们的说法,这是目前国内最高性能自主产权FPGA产品,已广泛应用于通信、信息安全等领域。


半导体行业观察(ID:icbank)从紫光同创获悉,他们目前已启动下一代新产品的研发,并将于2019年上市。据了解,他们即将推出的新产品制造工艺升级到28nm,资源规模覆盖50K~700K,Serdes速率超过12.5Gbps,并支持多种高速DDR协议接口,应用方向覆盖通信、数据中心、人工智能、车联网、工业控制等主流市场。


紫光同创告诉半导体行业观察(ID:icbank)记者,依赖于其性能领先、技术服务领先、稳定供货能力、丰富IP和解决方案,加上覆盖高中低端的各类FPGA产品,紫光同创后续将继续保持55nm、40nm、28nm产品系列的完善,3至5年内完成国内中低端FPGA国产化目标,同时加快新工艺新技术的研究和突破,推出更高端的产品,同时解决国内高中低端全系列产品的国产化需求,彻底打破国外产品垄断形态。而现在他们的产品已经能达到Xilinx V6的水准,紫光同创强调。


遨格芯(AGM)也是国产FPGA玩家中不可忽略的重要势力。这家公司立足于已成熟的异构技术高集成度,和FPGA应用多元化的特性,边缘拓展开始涉足: 异构技术(定制ASIC + CPU + FPGA),为人工智能的AI 通用算力市场和物联网市场。据了解,AGM FPGA家族目前已经拥有50余个产品型号,也是中国首个通用FPGA产品系列。不仅提供了业界最为宽广的FPGA/CPLD选择,更以领先的技术优势持续推出SoC产品。所有型号在软件和硬件引脚封装方面都保持相互兼容,全面支持各种高中低端嵌入式应用与升级。


AGM方面告诉半导体行业观察(ID:icbank)记者,他们的FPGA产品是国产中达到的最大容量和最高性能,且已被消费市场验证并量产,且他们是,国内唯一一家软硬件介入,可以高兼容性高灵活性切入原有行业内生态,让客户使用成本低,并多量产出货验证的厂商。同时,AMG的产品在门级数量到千万门级时,容积率仍然可以90%以上。这是他们众多竞争优势之一。


上海复旦微在FPGA领域也有很深入的研究;


据官方新闻介绍,他们在这个领域有近二十年的研究和发展经验。公司前期研制出的自主知识产权千万门级FPGA产品,突破了在传统集成电路设计基础上的高可靠性设计,经过测试,其高可靠性能处于国际领先地位。且已成功应用于我国卫星导航、载人航天等重大工程项目中,解决了我国高可靠FPGA禁运的难题。


今年五月,复旦微透露,他们正在研制的新一代自主知识产权亿门级FPGA产品。该产品采用了全新的亿门级FPGA创新架构,并集成了专用超高速串并转换模块、高灵活可配置模块、专用数字信号处理模块、高速内部存储模块、可配置时钟模块等适用亿门FPGA应用的模块电路,其各类指标均已达国际同类产品先进水平。该亿门级系列产品的成功研制填补了国内超大规模亿门级FPGA的空白,可满足我国对国防、航空、航天、通信、医疗等领域FPGA器件的迫切需求。


除了以上厂商外,另外还有一些相关研究所和企业也在投入到FPGA领域进行研究。这个不算大的领域真所谓百花齐放,百家争鸣。


差距明显,但必须继续前行


毫无疑问,中国FPGA产业与同行的领先厂商相比是有差距的:


按照京微齐力王海力的说法,从芯片角度看,国内的FPGA与国际厂商有两代半的工艺线。现在国际厂商已经在16nm产品上量产了,而国内厂商目前只做到40nm,28nm产品还在推进阶段,他强调。


如果从软件和生态方面看,国内FPGA企业与国际领先厂商之间更是有八到十年的差距。如果想追上,尤其是在中高密度产品上追上国际领先者,国内FPGA厂商还需要很长的一段路要走,王海力补充说。


高云半导体工程副总裁王添平先生也表示,目前活跃在市场的国产FPGA产品中,多以中低密度产品为主。这些产品从定义、芯片设计、生产工艺、芯片封装、应用软件、乃至实际销售,都有不错的表现,高云的低密度产品在某些细分领域正在全面取代国外厂商。但在他看来,对于国内大部分的中高低密度的FPGA,其架构都逃不开LUT+布线的概念,具体到产品,各自侧重的技术、IP乃至相应的应用市场也都是各有针对性。如果从这个角度看来,国产厂商在中高密度FPGA的技术水平与国际领先厂商相比,在硬件设计和软件方面还有一定的差距。


虽然差距很明显,但对于国内厂商来说,负重前行是一种必然的使命。王添平也认同这个观点。他指出,尽管FPGA全球市场销售额近年来的年增长率一直徘徊在个位数,但其进入各类新兴市场如大数据、人工智能、云计算、硬件加速、汽车自动驾驶以及消费等领域的速度却非常吸引眼球,乃至人们对FPGA特别是国产FPGA的未来发展充满期待,资本进入该领域也日趋活跃。


“在民用及其他市场上,我们都看到了多家国产FPGA的身影,众多国产FPGA厂家涌进跑道,对整个FPGA产业竞争、人才培养和产品快速升级以及FPGA产业上下游资源整合,都是绝好的机会。”王添平告诉半导体行业观察的记者。


回看过去几十年的发展,FPGA和其他芯片领域一样,经历了初创者大量涌入,百发齐放,然后整合的阶段。数据显示,1990年的时候,全球的FPGA玩家有20多家,但现在已经屈指可数。更重要的是,经过这段发展,FPGA的市场也同样集中到两个大玩家手里。这个市场沉寂多年以后,在中国玩家的加入之后,又多了一些新的声音。但我们应该明白到,这并不会是一个简单的过程。


Actel 前CEO John East在2010年接受媒体采访时曾说过,任何成熟的高科技市场通常会落到一两个领导者身上,如果一个新入者想试图直接闯入这个腹地,迎接他们的通常会是失败,特别是在FPGA领域,这更是一个闯入成本很高的领域。


他强调,进入FPGA领域,你不但需要开发芯片,你还需要为开发者开发软件,且整个过程会是一个繁复的过程。因为你后还需要改进软件和增加IP。只有这样做,你才能在和对手的竞争中保持竞争力。在John East看来,软件是FPGA初创企业发展需要克服的一个重要瓶颈。


由此可见,对于国内的FPGA新玩家来说,前路还很长!



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