不怕EDA被卡脖子，國產(chǎn)高端FPGA突破“技術(shù)鐵幕”
作者 | 包永剛
出品 | 雷鋒網(wǎng)產(chǎn)業(yè)組
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。
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實現(xiàn)高端和極高端市場突破的挑戰(zhàn)。
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FPGA更容易實現(xiàn)國產(chǎn)替代
CPU、GPU、DSP、FPGA這四大類計算芯片中，F(xiàn)PGA更容易實現(xiàn)完全自主可控。這是因為，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，FPGA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)體總裁宋寧對雷鋒網(wǎng)表示：“目前，高云是在國產(chǎn)化進(jìn)程中有實力提供自主研發(fā)的獨立完備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 ?！?/span>
宋寧曾在萊迪斯、Cadence任職，有多年FPGA領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，他進(jìn)一步表示：“國產(chǎn)化替代實現(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。
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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?！彼螌幈硎尽?/strong>
“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，因為兩大巨頭公司對通用FPGA市場的關(guān)注度會減弱?！?/strong>
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。
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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。雷鋒網(wǎng)了解到，目前國產(chǎn)FPGA在5G領(lǐng)域最大的機(jī)會在用戶端消費電子領(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?！彼螌幈硎?。
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?！?/span>
“FPGA類型眾多，功能齊全是高云產(chǎn)品的優(yōu)勢特點。這也是我們多年在產(chǎn)品規(guī)劃、布局的結(jié)果?！彼螌幈硎尽?/strong>
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。
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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。
本文由雷鋒網(wǎng)原創(chuàng)，作者：包永剛。申請授權(quán)請回復(fù)“轉(zhuǎn)載”，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載。
酷開15年，創(chuàng)維沒想到
5G確定性網(wǎng)絡(luò)，是不是未來？