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(chǎng)規(guī)模千億美元的CPU和GPU，市場(chǎng)規(guī)模還未超百億美元的FPGA并非大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

不過(guò)，在提升國(guó)產(chǎn)芯片自主化率的大背景下，與CPU、GPU、DSP共稱為國(guó)產(chǎn)芯片“四大件”的FPGA對(duì)于真正實(shí)現(xiàn)芯片國(guó)產(chǎn)自主有著基礎(chǔ)性作用，已經(jīng)有中國(guó)FPGA公司在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)打破了對(duì)國(guó)外公司的依賴，直接參與FPGA的全球競(jìng)爭(zhēng)。

FPGA的獨(dú)特性，讓國(guó)產(chǎn)FPGA已經(jīng)在中低端市場(chǎng)可以不被EDA卡脖子。未來(lái)五年，國(guó)產(chǎn)FPGA在高端市場(chǎng)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(chǎng)格局的變化都是國(guó)產(chǎn)FPGA實(shí)現(xiàn)高端和極高端市場(chǎng)突破的挑戰(zhàn)。

FPGA更容易實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

CPU、GPU、DSP、FPGA這四大類計(jì)算芯片中，F(xiàn)PGA更容易實(shí)現(xiàn)完全自主可控。這是因?yàn)椋珻PU、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(jì)這三類芯片的公司難以擺脫EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具）三巨頭和美英IP公司的依賴。

與此不同，FPGA設(shè)計(jì)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(jì)更容易擺脫國(guó)外EDA和IP公司的限制。

高云半導(dǎo)體總裁宋寧對(duì)雷鋒網(wǎng)表示：“目前，高云是在國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中有實(shí)力提供自主研發(fā)的獨(dú)立完備FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)體系（IC、IP、EDA融匯結(jié)合）的公司，打破并打通了FPGA設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵依賴環(huán)節(jié)，直接參與FPGA領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng) ?！?/p>

宋寧曾在萊迪斯、Cadence任職，有多年FPGA領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，他進(jìn)一步表示：“國(guó)產(chǎn)化替代實(shí)現(xiàn)了FPGA應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)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(guó)產(chǎn)自主的小型化集成電路芯片工業(yè)設(shè)計(jì)體系，為最終全面實(shí)現(xiàn)國(guó)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主更為明顯的價(jià)值體現(xiàn)?！?/strong>

目前，國(guó)產(chǎn)FPGA芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)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(guó)產(chǎn)FPGA起步于消費(fèi)電子市場(chǎng)，主打的是低端(<10K-LUT級(jí)別)和中端 (<100K-LUT級(jí)別) 的FPGA芯片，如今正快速涉及通信、汽車市場(chǎng)，主打產(chǎn)品將會(huì)從中端 (<100K-LUT級(jí)別) 推向高端(從100至500K-LUT級(jí)別) 的FPGA芯片。

邁向高端的過(guò)程對(duì)國(guó)內(nèi)FPGA公司而言并非易事。

國(guó)產(chǎn)FPGA邁向高端的三大挑戰(zhàn)

全球FPGA市場(chǎng)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(lái)，經(jīng)過(guò)多年的整合兼并，F(xiàn)PGA市場(chǎng)呈現(xiàn)了賽靈思和Altera平分秋色，Lattice和Actel（2010年被MicroSemi收購(gòu)）暗中搶占市場(chǎng)份額的格局。

2015年，intel以167億美元收購(gòu)Altera打破了原有的FPGA市場(chǎng)格局。

有意思的是，去年10月，intel的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手AMD也宣布將以350億美元收購(gòu)賽靈思，預(yù)計(jì)交易將于2021年底完成。兩大FPGA芯片公司相繼被收購(gòu)是AI、5G和云計(jì)算的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下的行業(yè)整合，巨頭間的整合也改變著全球FPGA市場(chǎng)的格局。

“intel和AMD都是超級(jí)CPU公司，分別收購(gòu)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(jì)算能力打造下一代AI技術(shù)芯片。這必然會(huì)讓原來(lái)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(chǎng)?！彼螌幈硎?。

“就拓展市場(chǎng)占有率而言，兩筆收購(gòu)對(duì)奪通用FPGA市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)FPGA廠家，包括中國(guó)公司，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)應(yīng)該是利好，因?yàn)閮纱缶揞^公司對(duì)通用FPGA市場(chǎng)的關(guān)注度會(huì)減弱?！?/strong>

長(zhǎng)遠(yuǎn)利好的競(jìng)爭(zhēng)格局下，國(guó)產(chǎn)FPGA向高端市場(chǎng)邁進(jìn)的軟硬件挑戰(zhàn)依然巨大。高端(從100至500K-LUT級(jí)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(diǎn)的代工廠從聯(lián)華電子轉(zhuǎn)向臺(tái)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(gòu)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(tái)積電的16nm工藝進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)。

2019年時(shí)，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(tái)積電的16nm工藝，集成350億個(gè)晶體管、900萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)邏輯單元。三個(gè)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(gè)晶體管，在70×74毫米的封裝面積內(nèi)擁有1020萬(wàn)個(gè)邏輯單元。

國(guó)產(chǎn)FPGA想要在高端和極高端市場(chǎng)成功突破，自然也需要先進(jìn)工藝制程的支撐，但國(guó)內(nèi)晶圓代工廠與臺(tái)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(guó)產(chǎn)高端FPGA實(shí)現(xiàn)完全自主可控帶來(lái)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(guó)產(chǎn)高端FPGA實(shí)現(xiàn)突圍的挑戰(zhàn)。

在制程和EDA工具提升的過(guò)程中，還會(huì)涉及到專利保護(hù)的問(wèn)題。

”國(guó)產(chǎn)FPGA替代應(yīng)立足全面主導(dǎo)消費(fèi)電子市場(chǎng)的目標(biāo)，以及深度切入通信和汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(huì)最大的市場(chǎng)?！彼螌幷J(rèn)為。

正在快速發(fā)展的5G和AI也是不容忽視的好機(jī)遇。

國(guó)產(chǎn)FPGA在5G和AI時(shí)代的大機(jī)會(huì)

根據(jù)Market Research Future（MRFR）的統(tǒng)計(jì)，2019年全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約為69億美元。MRFR預(yù)計(jì)，在5G和AI的推動(dòng)下，2025年全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到125億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為10.22%，其中亞太地區(qū)是重要的增量市場(chǎng)。

通信作為FPGA的重要應(yīng)用市場(chǎng)，5G基站以及終端都對(duì)FPGA有巨大的需求。雷鋒網(wǎng)了解到，目前國(guó)產(chǎn)FPGA在5G領(lǐng)域最大的機(jī)會(huì)在用戶端消費(fèi)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(diǎn)非常適合各類轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)。

至于AI，F(xiàn)PGA的機(jī)會(huì)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(cè)應(yīng)用，例如人臉識(shí)別，聲紋識(shí)別，身份識(shí)別，行為識(shí)別等等。“中國(guó)擁有全球最大的超級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及與之相關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)類分析、預(yù)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，所以，國(guó)產(chǎn)FPGA在AI領(lǐng)域機(jī)會(huì)巨大。”宋寧表示。

作為國(guó)產(chǎn)FPGA的代表之一，高云會(huì)如何抓住5G和AI的機(jī)會(huì)突破高端市場(chǎng)？

據(jù)介紹，高云半導(dǎo)體從一開始就致力建立獨(dú)立完備FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)體系的高度，打造自行開發(fā)的FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)EDA 工具，以及成體系的FPGA應(yīng)用軟核IP庫(kù)，在市場(chǎng)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(shí)，推進(jìn)高端產(chǎn)品的研發(fā)。

宋寧說(shuō)：“高云在5G市場(chǎng)進(jìn)行了六個(gè)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(chǔ)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?！?/p>

“FPGA類型眾多，功能齊全是高云產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。這也是我們多年在產(chǎn)品規(guī)劃、布局的結(jié)果。”宋寧表示。

面向AI市場(chǎng)，高云在2020年推出了適用于AI邊緣計(jì)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(jià)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(gè)過(guò)程中，國(guó)產(chǎn)FPGA也可以從低端的消費(fèi)類音頻FPGA市場(chǎng)，拓展到中低端工業(yè)控制、監(jiān)控FPGA市場(chǎng)，最終邁向中高端的通信、汽車FPGA市場(chǎng)。

小結(jié)

多個(gè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2021年到2026年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模有望占到全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模的一半以上，中國(guó)將成為FPGA公司的必爭(zhēng)之地。不過(guò)，國(guó)外公司仍舊主導(dǎo)這一市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，在國(guó)產(chǎn)替代的背景下，包括高云在內(nèi)的國(guó)內(nèi)FPGA公司第一生存級(jí)別的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手仍舊是國(guó)外公司。

國(guó)產(chǎn)FPGA的高端替代機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存。宋寧預(yù)計(jì)，未來(lái)五年，國(guó)產(chǎn)FPGA有望在低端和中端市場(chǎng)市場(chǎng)上占主動(dòng)地位，在高端市場(chǎng)有望深度突破，極高端市場(chǎng)仍任重道遠(yuǎn)。

2018年，F(xiàn)PGA國(guó)產(chǎn)化率僅4%，5年后FPGA的國(guó)產(chǎn)化率值得期待。雷鋒網(wǎng)

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