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国产FPGA大盘点

钓鳌牧马 2023-06-22 原文

FPGAField Programmable Gate Array)芯片基于可编程器件(PALGAL)发展而来,是半定制化、可编程的集成电路。因此FPGA素来有万能芯片美誉。

相比被固化不能修改的专用芯片(ASIC),FPGA因其可根据不同场景重新编程的特点,有灵活性高、开发周期短、小批量成本低的优势,能更快的应用市场需求变化。

对比CPUGPU等通用芯片,FPGA并行计算效率更高、计算速度更快,功耗和延时更低。无论是传统的航空航天、通信、工业、消费电子等应用,还是新兴的AI5G通信、工业互联网、自动驾驶、云计算、边缘计算、物联网市场,对FPGA的需求均在持续走高。

国外芯片厂商

赛灵思(xilinx

英特尔(intel)

莱迪思(Lattice

主要产品

最高端Virtex

顶尖Kintex

性价比Artix

低成本Spartan

高端的Stratix

中端的Arria

低端的Cyclone

高端的 LatticeSC/M

低端的 LatticeECP2

90年代起,中国学术界亦开始探索FPGA技术,复旦大学、中科院均为重要力量。到2010年后,安路科技、西安智多晶、紫光同创、广东高云等我国知名FPGA企业先后成立。在探索FPGA的历程中,我国逐渐从反向设计阶段走向正向设计,国内对FPGA的应用需求也在增长。但时至今日,国产厂商在全球FPGA代表玩家中依然排不上号。

FPGA是一个技术壁垒高的行业,半个IC设计公司+半个软件公司,硬件结构复杂且良率低,软硬协同再提研发难度。FPGA企业的硬件开发部分属于典型的 IC 设计企业,与一般 IC 设计企业不同的是,由于FPGA硬件需要配套EDA软件一起使用,FPGA 公司通 常需要自行研发适配自家硬件的EDA软件,因此也算半个EDA软件公司。由于FPGA版图及布线复杂,硬件设计难度较大,加之软件和硬件协同开发,系统工 程的难度再升级。 

核心专利被头部公司垄断,国产厂商披荆斩棘艰难前行,专利有效期结束或带来 转机。在专利上国外厂商目前占据绝对优势,XilinxAlteraFPGA领域的专利数近10,000个,而国产厂商如紫光同创专利数仅约200项,相差悬殊。未来随着部分专利的有效期结束,及国产厂商在新专利上的突破,专利上的垄断格局或 迎来转机。 

半导体产业链国产化程度低,硬件自主可控进程难以阻挡,国产当自强。产业链 角度来看,硬件产业链中目前自主可控程度较低,尤其在高端半导体设备和材料领域,未来产业链上下游国产替代进程的推进也将助力国产FPGA加速发展。硬件部分上游:EDA+IP。硬件开发用的EDA仍是CadenceSynopsys Mentor GraphicsIP来源包括外部授权和内部开发。 硬件部分下游:代工厂+封测。其中代工厂国内厂商主要与台积电及中芯国际合作,封测主要和日月光等合作。 

国内8FPGA厂商介绍

我国主要FPGA芯片企业及其FPGA产品

差距、现状与未来

可以看到,尽管我国FPGA企业正在发力中,但客观上,现有国产FPGA的性能实力和市场占有率均与国际先进水平存在明显差距。

国产FPGA起步较晚,加之国外企业在技术和专利方面的壁垒,国内在整个FPGA产业链上与国外差距依然非常大,包括在技术积累、专利数量、人才储备、制程工艺、逻辑规模、性能指标、生产和供应链能力、研发投入、生态和行业整合能力等多个方面。

1.制程工艺与创新架构

推进技术研发至少需抓住两点,一是采用更先进的制程工艺,二是研发创新架构。制程工艺技术越先进,同等芯片面积包含的晶体管数量越高,可以大幅提升性能和降低功耗,因而国际FPGA头部厂商已开始采用最先进制程工艺。当前我国主流的国产FPGA产品多采用55nm40nm制程工艺,最先进FPGA制程尚在28nm,与已达到7nm的国际先进水准相比,落后国外先进工艺两代,最大逻辑规模不足海外产品的十分之一(50VS 500),尤其是最重要的软件开发上还有很大差距。但乐观来看,我国FPGA玩家已开始加速奔跑,一方面追赶高端FPGA,另一方面在部分民用中低端市场已具备替代国际FPGA产品的实力。

2.研发配套软件,共建生态圈

除了改良硬件性能外,配套软件工具的优化同样不容忽视。FPGA之所以偏小众,一个关键原因就是编程技术门槛高。FPGA需软硬件紧密配合才能真正发挥其性能,其编程采用的verilogVHDL硬件描述语言本身有难度,在加上编程设计时需考虑应用场景的多样性、复杂性和效率,编译难度令不少工程师头疼。而国内企业普遍软件开发工程师配比偏低,配套软件和工具也相对缺乏,对上游的EDA等软件工具以及IP核心依赖程度较高。实现自主替代、提升国内FPGA产业竞争力,显然也离不开国内生态上下游的共同努力,离不开从EDAIP核、芯片到应用的完整生态的构建。

3.国家政策扶持与人才引进培养

无论是采用更先进制程节点,还是创新产品的研发、生产等都要花费大量的资源跟金钱,不能回本的风险很大。因此政府以及更多资本的支持也尤为必要。教育资源和人才的缺乏也是掣肘国内FPGA生态发展的关键要素之一。有第三方数据统计,美国FPGA工程师有三四十万,而中国FPGA工程师仅有两三万,约为美国的1/10

结语:

对于国内FPGA企业而言,首要任务是提升产品性能、稳定性及易用性等,不断地加快产品迭代速度,只有这样才能逐步缩小差距。

追赶国际先进芯片水平的道路依然艰辛漫长,但有些事不是因为看到了希望所以坚持,而是咬牙坚持到最后,终见曙光。

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