年度爆火的國產(chǎn)FPGA芯片

作者：豐寧

目前FPGA市場仍由美國三大巨頭Xilinx（被AMD收購）、Altera（被Intel收購）、Lattice主導(dǎo)，占據(jù)八成以上的份額。然而近日，一則國際FPGA大廠即將漲價的消息在行業(yè)內(nèi)掀起波瀾。

1、FPGA，漲價！

近日，Altera宣布為應(yīng)對市場壓力和運(yùn)營成本上漲，將對部分FPGA產(chǎn)品系列價格進(jìn)行調(diào)整，新價格將于2024年11月24日生效。此次調(diào)整旨在確保Altera能夠持續(xù)提供可靠的產(chǎn)品供應(yīng)，并保持其強(qiáng)大的FPGA解決方案組合，以支持客戶需求。

調(diào)價產(chǎn)品系列包括：

Cyclone 10 GX/LP、Cyclone V、Cyclone IV、MAX 10 和 MAX V 系列價格上調(diào)7%;

Stratix V、Stratix IV、Stratix III、Arria V、Arria II、Cyclone III、Cyclone II、MAX II 和 EPCQ-A 系列價格上調(diào)20%；

AgilexTM 7、AgilexTM 9、Stratix 10、Arria 10 系列價格上調(diào)10%;

2、FPGA芯片缺口，逐步擴(kuò)大

相較于CPU、GPU，F(xiàn)PGA較少為外界所知，其屬于邏輯芯片大類。邏輯芯片按功能可分為四類芯片，即通用處理器芯片（包含中央處理芯片CPU、圖形處理芯片GPU、數(shù)字信號處理芯片DSP等）、存儲器芯片（Memory）、專用集成電路芯片（ASIC）和現(xiàn)場可編程邏輯陣列芯片。

與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片的最大特點(diǎn)是現(xiàn)場可編程性。無論是CPU、GPU、DSP、Memory還是各類ASIC芯片，在芯片制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用戶無法對其硬件功能進(jìn)行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，將自己設(shè)計(jì)的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）軟件對FPGA芯片進(jìn)行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆FPGA芯片均可以進(jìn)行多次不同功能配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測，預(yù)計(jì) 2025 年全球 FPGA 市場規(guī)模將超過 125 億美元，國內(nèi)市場規(guī)模將從 2022 年的 208.8 億人民幣提升至 2025 年的 332.2 億人民幣，三年 CAGR 約 17%。

Susquehanna分析師Chris Rolland曾在報(bào)告中指出，F(xiàn)PGA短缺受影響的主要是網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)和電信設(shè)備。

FPGA需求大漲源于5G和AI的推動。在5G市場，由于5G通信通道數(shù)大幅增加，尤其是大規(guī)模MIMO里的通道數(shù)是此前的數(shù)倍到數(shù)十倍，因此5G基站單站的FPGA用量就大幅上漲。根據(jù)測算，4G基站單站可能只需要1—2塊FPGA，5G基站需要4—5塊，同時5G基站密度大概是4G基站的1.5倍。因此，5G時代，基站對于FPGA的需求量大概就是4G時代的3倍以上。

而在AI方面，隨著AI和邊緣終端的結(jié)合越來越緊密，ASIC的弊端開始顯現(xiàn)。一般情況下，芯片用量需要達(dá)到10萬片以上，這樣開發(fā)ASIC才能夠有價值。但在邊緣AI領(lǐng)域，大部分市場都達(dá)不到這個芯片用量。這部分需求基本都轉(zhuǎn)向了FPGA，通過對FPGA編程，F(xiàn)PGA能夠執(zhí)行ASIC可執(zhí)行的任何邏輯功能，并且無需等待三個月至一年的芯片流片周期。

具體到市場應(yīng)用中，不管是汽車、數(shù)據(jù)中心、5G通信和工業(yè)，都對FPGA有著越來越多的需求。

當(dāng)前FPGA市場的現(xiàn)狀就是如此，市場空間增速迅猛，然而主要掌握在幾家主要國際FPGA芯片公司手中，如今漲價消息的傳出對于國內(nèi)FPGA市場來說，或?yàn)閴毫σ不驗(yàn)闄C(jī)遇。

壓力在于，價格上漲對用到FPGA的客戶來說成本會大大提高，并且需要提防進(jìn)口產(chǎn)品繼續(xù)漲價或者缺貨的可能性，需要盡快做好備貨準(zhǔn)備。

機(jī)遇在于，F(xiàn)PGA 芯片的自主化可謂至關(guān)重要。如今，Altera 等公司宣布對 FPGA 產(chǎn)品進(jìn)行漲價，國內(nèi)公司對于 FPGA 芯片的多元化供應(yīng)也產(chǎn)生了強(qiáng)烈訴求。這種現(xiàn)狀恰恰為中國 FPGA 的自主研發(fā)賦予了強(qiáng)大的內(nèi)在驅(qū)動力，并開辟了廣闊的市場空間。

從目前來看，國產(chǎn) FPGA 廠商雖在技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品性能及市場份額等方面與國際巨頭尚有一定差距，但近年來的發(fā)展勢頭不容小覷。

3、國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品力如何？

目前，主流的國內(nèi)FPGA 廠商已從跟蹤研仿國外 FPGA 芯片轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)建自主定義、自主架構(gòu)、自主軟件的國產(chǎn) FPGA 生態(tài)體系，且該體系已初見雛形。未來幾年中國的FPGA企業(yè)預(yù)計(jì)會從目前的10家左右濃縮成3-4家，并且這幾家的產(chǎn)品形態(tài)、技術(shù)路線都會有各自的特點(diǎn)，形成差異化競爭。當(dāng)前主流的幾家FPGA產(chǎn)品線都有些什么特色呢？

目前，國產(chǎn) FPGA 主要參與者有紫光同創(chuàng)、安路科技、復(fù)旦微電、高云半導(dǎo)體、易靈思、西安智多晶、京微齊力等。其中前三家為頭部FPGA廠商。

紫光同創(chuàng)

業(yè)內(nèi)人士表示，國內(nèi)純自主架構(gòu)做得最好的是紫光同創(chuàng)，于2013年成立。當(dāng)時紫光國微主攻做國產(chǎn)化，另外專門拉了一個團(tuán)隊(duì)出來成立了紫光同創(chuàng)，并制定了兩大目標(biāo)：第一，要做全自主研發(fā)的產(chǎn)品；第二，瞄準(zhǔn)華為，要進(jìn)移動通信。經(jīng)過十多年的努力，紫光同創(chuàng)成為國內(nèi)給華為供貨量最大的FPGA廠商，同時在產(chǎn)業(yè)FPGA領(lǐng)域，不管是在技術(shù)、產(chǎn)品成熟度、市場規(guī)模，還是商業(yè)化程度上，紫光同創(chuàng)都是國內(nèi)最領(lǐng)先的。

紫光同創(chuàng)的FPGA產(chǎn)品主要分為3大系列：Titan、Logos和Compa系列。

其中Titan系列具有高速、高性能的特點(diǎn)。其中Titan-2系列采用先進(jìn)成熟工藝，支持SERDES高速接口、PCIe Gen3、DDR3/4等高性能模塊和接口，為客戶提供高性能的可編程解決方案，可廣泛應(yīng)用于通信、圖像視頻處理、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)信息安全、儀器儀表等行業(yè)。

Logos系列具有高性價比的特點(diǎn)。Logos系列FPGA采用先進(jìn)成熟工藝和全新LUT5結(jié)構(gòu)，集成RAM、DSP、ADC、Serdes、DDR3等豐富的片上資源和IO接口，具備低功耗、低成本和豐富的功能，為客戶提供高性價比的解決方案，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、消費(fèi)類等領(lǐng)域，是客戶大批量、成本敏感型項(xiàng)目的理想選擇。

CPLD產(chǎn)品具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。Compa系列CPLD產(chǎn)品，采用成熟工藝和自主產(chǎn)權(quán)體系結(jié)構(gòu)，滿足低功耗、低成本、小尺寸的設(shè)計(jì)要求，適用于系統(tǒng)配置、接口擴(kuò)展和橋接、板級電源管理、上電時序管理、傳感器融合等應(yīng)用需求，廣泛應(yīng)用于通信、消費(fèi)電子、無人機(jī)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

安路科技

按照產(chǎn)品硬件架構(gòu)類型劃分，安路科技產(chǎn)品類型分為FPGA芯片和FPSoC芯片。其中，F(xiàn)PGA芯片包括 SALPHOENIX 高性能產(chǎn)品系列、SALEAGLE 高效率產(chǎn)品系列、SALELF低功耗產(chǎn)品系列。

其中SALEAGLE系列分為SALEAGLE 4和AL3兩個產(chǎn)品型號。

EG4是安路科技推出的“獵鷹”系列產(chǎn)品，具有低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分IO等資源，強(qiáng)大的引腳兼容替換性能。在工業(yè)控制、通信接入、顯示驅(qū)動等領(lǐng)域可有效幫助用戶提升性能、降低成本。

AL3是安路科技推出的“獵鷹”系列產(chǎn)品，具有低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分IO等資源，強(qiáng)大的引腳兼容替換性能。在工業(yè)控制、通信接入、顯示驅(qū)動等領(lǐng)域可有效幫助用戶提升性能、降低成本。

SALELF系列共有3代產(chǎn)品SALELF 2、SALELF 3和EF3L15單芯片方案，即時啟動，無需要外部Flash，支持OTP模式，55nm工藝，部分產(chǎn)品型號內(nèi)嵌硬核MCU。

2024年上半年，安路科技新一代現(xiàn)場可編程陣列芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多款PHOENIX系列新產(chǎn)品規(guī)格開發(fā)，進(jìn)一步豐富28nm工藝平臺產(chǎn)品矩陣，基于先進(jìn)工藝的高容量高性能FPGA芯片正在支持用戶設(shè)計(jì)導(dǎo)入；現(xiàn)場可編程系統(tǒng)級芯片研發(fā)項(xiàng)目完成了低功耗FPSoC芯片及高性能FPSoC芯片研發(fā)，量產(chǎn)型號已應(yīng)用在視頻圖像和工業(yè)控制等領(lǐng)域，正在支持更多用戶導(dǎo)入；發(fā)展與科技儲備基金項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了車規(guī)FPGA芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在新型硬件架構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速模塊、高性能IP、EDA軟件前沿算法、先進(jìn)封裝等技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)豐富研發(fā)成果，提升了公司在汽車電子、數(shù)據(jù)中心、運(yùn)算加速等重要領(lǐng)域的技術(shù)積累。

復(fù)旦微

復(fù)旦微電2018年國內(nèi)首家推出億門級FPGA產(chǎn)品后，持續(xù)不斷地推進(jìn)該產(chǎn)品的譜系化，貨架產(chǎn)品逐步的豐富。28nm億門FPGA產(chǎn)品經(jīng)過多年推廣，得到了客戶的認(rèn)可，產(chǎn)品應(yīng)用場景也在擴(kuò)大，并已經(jīng)形成千萬門級FPGA芯片、億門級FPGA芯片、十億門級FPGA芯片和嵌入式可編程器件PSoC產(chǎn)品系列，覆蓋通信、工業(yè)控制、汽車電子等高可靠性領(lǐng)域。

當(dāng)前復(fù)旦微電FPGA主要是以28nm的產(chǎn)品為主。2024 年上半年，公司完成了新一代PSoC 產(chǎn)品的流片，并積極推動新一代FPGA 和PSoC 產(chǎn)品的產(chǎn)品化工作，未來將結(jié)合先進(jìn)封裝技術(shù)，在新一代FPGA 平臺上進(jìn)一步豐富譜系，持續(xù)推出更具競爭力的FPGA、PSoC 以及FPAI 產(chǎn)品。

總的來看，目前，國內(nèi)廠商在低容量FPGA技術(shù)上已較為成熟，這些FPGA的邏輯單元小于100k，主要特點(diǎn)是低成本和低功耗，集中在55nm、40nm和28nm這三個制程節(jié)點(diǎn)。大部分國產(chǎn)廠商在2019年及之前就已經(jīng)推出了此類產(chǎn)品。在28nm的中低容量市場，國內(nèi)FPGA廠商也已經(jīng)推出了成熟的產(chǎn)品。中容量FPGA的邏輯單元在100k-500k之間，主要應(yīng)用于無線通信、工業(yè)、汽車和國防領(lǐng)域。而500K以上的高容量FPGA仍是目前國產(chǎn)化的難點(diǎn)。

4、國產(chǎn)FPGA廠商的差距與機(jī)遇

28nm生命周期比以往代際更長，國產(chǎn)廠商追趕空間更廣。作為典型的數(shù)字芯片，F(xiàn)PGA生命周期一般只有10～15年，快速迭代的特征使其收入的頂峰往往發(fā)生在推出之后的第4～5年，60%收入在前6年發(fā)生，隨后是量價齊跌的市場。因此，市場玩家必須努力競逐制程領(lǐng)先，因?yàn)橹瞥搪浜髲S商往往無法取得足夠的收入以支撐下一代產(chǎn)品的開發(fā)。而28nm生命周期比以往代際更長，國內(nèi)廠商制程在 28-90nm 的產(chǎn)品為主，這無疑給予了國產(chǎn)廠商更寬廣的發(fā)展空間。

中國大陸FPGA 市場以容量<500K產(chǎn)品為主。目前全球容量最大的FPGA為Xilinx在2023年6月27日推出的VP1902（Versal Premium），邏輯單元數(shù)高達(dá)18,507k，是國內(nèi)的46倍。雖然在容量上，國產(chǎn)廠商與國際廠商還存在較大差距，但是從中國的市場需求來看，本土FPGA 市場目前以容量<500K產(chǎn)品為主，而這一市場也是當(dāng)下國產(chǎn)廠商所擅長的。

沖高端，也是國產(chǎn)廠商的機(jī)遇之一。雖然低端 FPGA 市場規(guī)模最大，但是進(jìn)入壁壘相對較低，在位企業(yè)難以產(chǎn)生壟斷性的優(yōu)勢。此外，隨著未來 10 年 FPGA 向 16nm 及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)遷移，目前 FPGA 本土廠商需要考慮的是在更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。因此，高端 FPGA 是本土廠商想要快速成長所必須進(jìn)入的市場。目前也可以看到廠商們?yōu)榇俗龀龅呐εc投入。目前，國產(chǎn) FPGA 的最先進(jìn)制程達(dá)到 14/16nm。例如，2019 年紫光國微官網(wǎng)新聞曾顯示，紫光同創(chuàng)已啟動 14nm 億門級高端 FPGA 的研發(fā)工作。復(fù)旦微電于 2021 年開啟 14/16nm 產(chǎn)品的研發(fā)，在 2023 年，該公司 1xnm 制程的十億門級 FPGA 產(chǎn)品完成了小批量試制并進(jìn)行了用戶試用，且實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模銷售。

從市場角度來看，數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域，市場空間也極為廣闊。從下游應(yīng)用看，目前最高端的FPGA兩大領(lǐng)域——原型驗(yàn)證、數(shù)據(jù)中心加速計(jì)算，國產(chǎn)廠商進(jìn)入難度較大。近日，安路科技在回答投資者問時表示，公司FPGA產(chǎn)品目前在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域已有部分應(yīng)用，但尚未有量產(chǎn)產(chǎn)品直接應(yīng)用于運(yùn)算加速領(lǐng)域。

與此同時，與 CPU、GPU、ASIC 等產(chǎn)品相比，F(xiàn)PGA 芯片具備較高的利潤率。中低密度百萬門級、千萬門級的 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)，其利潤率接近 50%；而高密度億門級 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)的利潤率則將近 70%。研發(fā)并制造更為高端的 FPGA 產(chǎn)品，有助于提升國產(chǎn)FPGA公司整體的收入表現(xiàn)。