關于國產(chǎn)FPGA發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展前景趨勢詳解

關于國產(chǎn)FPGA發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展前景趨勢詳解2018年上半年對于中國半導體行業(yè)而言是多事之秋，發(fā)生了幾件讓國人深入思考的大事。我作為IC產(chǎn)業(yè)的逃兵，最近也在思考很多的問題，包括資本市場、集成電路行業(yè)和研究所的一些不成熟的想法。2008年進入華中科技大學電子系，中科院半導體所畢業(yè)后進入聯(lián)發(fā)科從事手機芯片開發(fā)（沒錯，就是賣的不怎么好的X30）。離開MTK之前有一段小插曲，招我進聯(lián)發(fā)科的老大后來自己出來創(chuàng)業(yè)做安防芯片，當時喊我去他的團隊，其實從一個技術員工或者說前途上看，選擇前老大公司是確定無疑最好的出路（優(yōu)秀的老大，出色的技術，看得見估值增長）。不過我最后還是選擇了成為二級狗，整個芯片行業(yè)其實對于技術人員的需求量還是非常高的。我想把芯片行業(yè)分為幾個類別：數(shù)字芯片、模擬芯片、射頻芯片以及FPGA分開來說說，希望自己在總結知識的同時有機會和大家多多溝通交流。今天先就從FPGA開始說起吧。FPGA——現(xiàn)場可編程門陣列，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內部連接結構和邏輯單元，完成既定設計功能的數(shù)字集成電路。換個簡單通俗的介紹方式，就好比一個全能運動員，游泳如孫楊、跨欄像劉翔、網(wǎng)球能力堪比李娜，F(xiàn)PGA就是這么神奇的可以通過設定而實現(xiàn)各種復雜的功能電路。FPGA的核心優(yōu)點：可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計算可編程靈活性高。同時FPGA也有自身的很多需要解決的問題，F(xiàn)PGA限制因素：成本、功耗和編程設計。市場空間：根據(jù)權威市場調研機構Gartner數(shù)據(jù)顯示，2014年全球FPGA市場總規(guī)模達到50億美金，其中，中國的市場份額有15億美金，中國市場占全球市場的三分之一。分析機構預計2015年至2020年全球FPGA市場的年復合增長率為9%，到2020年全球FPGA市場規(guī)模將達84億美金。具體細分領域來看，在FPGA被用于深度學習之前，F(xiàn)PGA主要有3大應用方向：（1）通信設備的高速接口電路設計，F(xiàn)PGA可以用來做高速信號處理，一般如果AD采樣率高，數(shù)據(jù)速率高，這時就需要FPGA對數(shù)據(jù)進行處理，比如對數(shù)據(jù)進行抽取濾波，降低數(shù)據(jù)速率，使信號容易處理，傳輸，存儲；（2）數(shù)字信號處理方向/數(shù)學計算方向，包括圖像處理，雷達信號處理，醫(yī)學信號處理等，優(yōu)勢是實時性好，用面積換速度，比CPU快的多；（3）SOPC，即利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設計者在上面進行嵌入式軟件開發(fā)。FPGA國際市場1984年Xilinx剛剛創(chuàng)造出FPGA時，它還是簡單的膠合邏輯芯片，而如今在信號處理和控制應用中，它已經(jīng)取代了自定制專用集成電路（ASIC）和處理器。短短30年的歷史長河中，超過上百家行業(yè)巨頭殺入這個市場，不過最后大部分都鎩羽而歸。這些公司包括了Intel、Philips、AgereSystems、AMD以及摩托羅拉等國際知名的芯片設計廠商。這是因為，賽靈思和Altera在這個領域深耕幾十年，兩家持續(xù)不斷地軍備競賽，占據(jù)了90%市場，提前布局的專利保護對后來者形成了強大的市場壁壘，幾乎封鎖了所有通向FPGA商用產(chǎn)品的通途。而Microsemi和lattice，QuickLogic曾經(jīng)挑戰(zhàn)他們的霸主地位，但是他們的市場份額加起來也不到10%。而最后也因為種種原因市場份額不斷下滑，并沒有實現(xiàn)對雙寡頭的突破和挑戰(zhàn)?？梢哉f，F(xiàn)PGA是全球芯片設計業(yè)最需要技術和壟斷突破的產(chǎn)品之一，在所有的芯片領域中屬于最難以突破和打破格局的技術產(chǎn)品。Xilinx：發(fā)明的FPGA顛覆了半導體世界，創(chuàng)立了Fabless（無晶圓廠）的半導體模式。Xilinx的產(chǎn)品組合融合了FPGA、SoC和3DIC系列AllProgrammable器件，以及全可編程的開發(fā)模型，包括軟件定義的開發(fā)環(huán)境等。產(chǎn)品支持5G無線、嵌入式視覺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計算所驅動的各種智能、互連和差異化應用。2014年12月，Xilinx的20nm芯片實現(xiàn)量產(chǎn)，2015年Xilinx緊接著推出新的16nmFPGA和SoC，并采用新型存儲器UltraRAM，因此繼28nm和20nm之后，繼續(xù)在行業(yè)中保持領先。公司產(chǎn)品縱向布局各個制程，因為20nm、28nm、40nm等制程的產(chǎn)品會在市場共存，以滿足復雜度不同的各種應用。Altera：是世界上“可編程芯片系統(tǒng)”（SOPC）解決方案倡導者。結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術、知識產(chǎn)權(IP)和技術服務，在世界范圍內為14,000多個客戶提供高質量的可編程解決方案。2015年，英特爾宣布以167億美元收購FPGA廠商Altera。這是英特爾公司歷史上規(guī)模最大的一筆收購。隨著收購完成，Altera將成為英特爾旗下可編程解決方案事業(yè)部。在和Xilinx的制程戰(zhàn)之爭中，兩家巨頭各領風騷，Altera路線圖中，最近的產(chǎn)品系列"Cedar"（替代Cyclone）采用了臺積電16nm工藝將在2016年上半年交付使用。"Oak"系列采用英特爾的14nm工藝，于2016年下半年交付，"Sequoia"采用英特爾的10nm工藝，將于2018年上市Altera將贏得10nm工藝節(jié)點之戰(zhàn)。Lattice：Lattice（是全球智能互連解決方案市場的領導者，也是全球第二大FPGA廠，提供市場領先的IP和成本低、功耗小、小尺寸的器件。產(chǎn)品主要有三大塊：可編程邏輯；視頻傳輸；毫米波解決方案。公司的最終用戶主要是通訊、計算機、工業(yè)、汽車、醫(yī)藥、軍事及消費品市場的原始設備生產(chǎn)商。在雙大哥的夾擊之下，Lattice的路也是走的越發(fā)艱難，在中高端市場難以與前兩者抗衡。中國的破局紫光集團想通過購買Lattice快速發(fā)展，受到美國外國投資委員會(CFIUS)的審查和特朗普政府的反對后收購以失敗告終。那對于國內FPGA如何破局，如何發(fā)展，在無法通過外延引入技術的條件下，國內也只能通過人研發(fā)和技術積累打破當前的這種格局。京微雅格：公司聚集了最早在FPGA行業(yè)耕耘與嘗試的一批技術精英，他們采用了SoCFPGA的戰(zhàn)略，片上整合了DSP、Memory、MCU等單元的CME-GM7系列，試圖通過整合的優(yōu)勢打破FPGA市場的壁壘。這個公司實際上有兩條產(chǎn)品線：1、自身從頭研發(fā)的，面向中低端市場的金山系列；2、收購美國CSwitch的產(chǎn)品線，面向高速通信市場。產(chǎn)品型號：M7華山系列；HR3純FPGA低功耗系列；M5金山系列；M1衡山系列。不過比較可惜是，在特定的國內行情和市場環(huán)境下，公司在發(fā)出自己最強音后也由于種種原因走入困境，讓自己舉步維艱。FPGA對技術支持的門檻相當高，由于京微雅格沒有辦法做到Pin-Pin，所以需要每一個產(chǎn)品都要有技術工程師保持長時間的維護和跟進，但是產(chǎn)品的成功率還可能不到10%，這樣的市場環(huán)境下，公司會陷入一種非常被動的局面，長時間的戰(zhàn)略失誤讓京微雅格陷入了人才、資本和發(fā)展僵局。京微雅格的失敗有很多值得思考的地方，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)的成功不僅在產(chǎn)品，還在于產(chǎn)品線的生態(tài)系統(tǒng)平臺建設。這個生態(tài)系統(tǒng)平臺包括：FPGA芯片、EDA工具、IP庫……缺一不可。完善的生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給用戶更全面的設計資源，從而突出系統(tǒng)優(yōu)勢，迅速適應各種市場應用變化，快速搶占市場高地。同時，市場上的認可是決定芯片廠商能不能在高速的產(chǎn)品迭代中實現(xiàn)技術和資金的積累的重要因素，任何不被市場接受的高性能產(chǎn)品都是失敗的。黃埔軍校之后的國內格局京微雅格在FPGA上的努力和成果給了本土后繼者很大的動力；京微雅格很多的技術研究人員在進入了后續(xù)成立的上海安路科技，AGM和高云半導體團隊里。也就是說，京微雅格在中國FPGA領域的開山鼻祖一樣的存在使得散亂后的技術人才分散都國內其余的公司中，成為了人才與技術的黃埔軍校。高云半導體：高云半導體的CEO朱璟輝和SVP宋寧都來自于Lattice團隊，尤其是朱璟輝，從清華大學畢業(yè)后，1996年-2011年任職Lattice，歷經(jīng)七代FPGA產(chǎn)品的研發(fā)，曾獲得11項美國專利，5項中國專利，目前還是科技部863計劃的可編程器件重大專項的技術負責人。而另一個核心人物宋寧除了任職Lattice高工，還任職過Cadence高工。目前負責高云半導體FPGA全流程軟件開發(fā)，對FPGA架構、硬件設計、軟件研發(fā)同步開發(fā)有獨到經(jīng)驗。所以，Synopsys為高云提供前SynplifyPro高云版端軟件軟件，也是中國唯一由新思授權的FPGA前端軟件。低密度非易失性FPGA已經(jīng)完全取代傳統(tǒng)CPLD，并成為低密度FPGA市場的絕對主力，每年約5億美元的市場銷量?？梢哉f，高云半導體切入和對標的是AlteraMAXV10和LatticeXO2/3；100萬門-500萬門易失性FPGA產(chǎn)品，采用臺積電55nm基于SRAM，可與XillinxSpartan及AlteraCyclone系列PK。近日，高云宣布研發(fā)成功了GW3AT-100，這是國內首款28納米中高密度FPGA，由臺積電代工。上海安路科技：上海安路信息科技有限公司成立于2011年，總部位于浦東張江，創(chuàng)始人為文余波。公司創(chuàng)始人及核心團隊來自海外高級技術管理人才、國外FPGA公司產(chǎn)品開發(fā)骨干以及學術界資深FPGA科研人員組成。公司研發(fā)團隊60%以上是復旦、交大、UCLA、UIUC等國內外高校的碩士或者是博士，具有很強的研究能力和設計水準。核心工作成員大多數(shù)在世界前五的FPGA公司和EDA公司中從事數(shù)十年以上技術研和管理工作，參與開發(fā)了多款世界領先的FPGA芯片和最好的EDA開發(fā)系統(tǒng)。安路當前已經(jīng)形成了從小規(guī)模CPLD（Elf-300、Elf-650）到2百萬門FPGA（EG-4、AL3-6、AL3-10、AL3-S10、EG-20、EG-D20）的系列器件，以及一顆已經(jīng)實際應用了的千萬門級FPGAIP核（AL3-130）。華大半導體入股之后，其作為國內最大的國產(chǎn)EDA軟件商華大九天與作為自主FPGA廠商安路科技，雙方在EDA工具上的合作空間，包括互補性上，都具有很大的想象力。AGM：上海遨格芯微電子有限公司(AGM)成立于2012年，是國內領先的以可編程邏輯技術為基礎，提供應用市場SoC芯片的半導體集成電路無生產(chǎn)線設計公司。由來自美國硅谷知名可編程邏輯芯片企業(yè)的團隊和國內資深工程團隊創(chuàng)辦。AGM是以開發(fā)自主產(chǎn)權的編譯軟件開始，兼容切入現(xiàn)有FPGA軟件的生態(tài)鏈?？吹街悄苁謾C風口的AGM也不失時機出了一款用于智能手機和loT的FPGA芯片，在助力客戶逐漸退出低端市場之時，把握住機會，通過價格優(yōu)勢搶奪低端市場。通過最近幾年的不斷地產(chǎn)品迭代和市場擴展，AGM悄悄地積累了比較穩(wěn)定的客戶，產(chǎn)品線也開始豐富起來，成為了國內FPGA的一批發(fā)展迅猛的黑馬。同創(chuàng)國芯：國產(chǎn)化替代率最大，利潤最高的軍工院所應用市場，基本上被同創(chuàng)國芯（深圳國微）壟斷。連當年的競爭對手成都華微，也是基本沒有了聲響。而且，同創(chuàng)國芯的民用拳頭產(chǎn)品TitanPGT30G已量產(chǎn)，該系列芯片可編程邏輯器件采用了完全自主產(chǎn)權的體系結構和主流先進制造工藝，帶有DDR3和PCIe接口，是國內少有的千萬門級FPGA。另外采用了***聯(lián)華UMC代工先進的40nm制程，在國內領先。正在中興通訊，烽火通信試用。FPGA行業(yè)的發(fā)展靠自力更生國內FPGA的發(fā)展只能依靠自主，這個必然需要漫長的等待和盡心的呵護，但除此之外沒有更好的選擇。芯片的自主設計是實現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關的基礎芯片（手機芯片、PC處理器等）需要實現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術強國也沒有掌握到核心技術。對于中國而言，國家促進集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略。同時特殊的應用場景（軍工、導彈、航天航空）要求的FPGA是涉及到國家安全和領土安全的，對芯片的要求也會比較嚴謹，但這一塊本身高性能的產(chǎn)品國外對中國是禁運的，這也從另一方面促成國內FPGA自己滿足的契機。目前，國內生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領域。在民用領域，國內是FPGA需求最大的市場，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國，通訊市場華為中興烽火包攬了全國60%以上的量。同時人工智能芯片需求的高速并行計算對FPGA芯片的需求也在幾十億美元的數(shù)量級，而國內是人工智能高速芯片發(fā)展最快，需求最大的市場。中國FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場足夠大，有需求就要有相應產(chǎn)品來支持。這對于國內廠家就是機會，目前，同方國芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實現(xiàn)一部分的國產(chǎn)替代。最后，從技術角度來說，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術。國內半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設計能力的不斷加強，我們自己可以自主設計和流片ARM架構的手機CPU（海思麒麟、大唐聯(lián)芯），并成功實現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們在過去積累的技術沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應用領域（軍工、通訊）實現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中，這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現(xiàn)安全可控。后面，我還要說說我和IC界的朋友交流和我自己的一些感悟。1.大家為什么對于技術的追求會停留下來。因為對于很多人來說，等到技術產(chǎn)生產(chǎn)品并融到資金后，實現(xiàn)技術積累到資本積累了。技術再產(chǎn)生的價值短時間內比資本產(chǎn)生的價值會慢很多，多數(shù)人會從技術上轉向資本市場。