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国产FPGA实现强国梦,打破国外垄断

来源: www.lantsuen.com 2020/12/27 浏览量:358 关键词: 国产fpga 芯片 强国

随着PC和智能手机的普及,相信很多人都或多或少了解,什么CPU(中央处理器)和GPU(图形处理器),但你可能不知道,在芯片领域,还有另外一种鲜为人知的芯片——FPGA

这种芯片虽然“曝光率”远远不如CPU和GPU,但其重要性却不遑多让——无论是在军事领域,还是民用领域都颇具意义。不仅90%的大型军用电子设备都要用到FPGA,在5G通信、物联网、大数据等民用领域,FPGA也有非常大的潜力。


而恰恰是这样一款重要的芯片,中国却基本依赖进口,国产FPGA在中国市场的占有率仅为2%,即便是很多军用的高端FPGA,也基本依赖于进口。


虽然中国在一些种类的芯片上取得了突破,比如手机芯片、超算芯片,但是在一些芯片种类一直都没有办法搞定,比如CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件与复杂可编程逻辑阵列)芯片领域,欧美依然处于技术垄断阶段。

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FPGA 是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。FPGA 可以通过设定而实现各种复杂的功能电路。就好像一个机器人一样,你想要跑步快,就把你设定为博尔特,你想要篮球猛,就把你设定成姚明。


FPGA 诞生于 80 年代,一开始饱受质疑,随着技术的不断发展与成熟,当 FPGA 加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术时,在 90 年代中后期,FPGA 开始发光发热。(CPLD 在有些时候也会被纳入 FPGA 之中,两者之间的区别主要是在架构和工艺上会略有区别,但基本原理都是相同的)


FPGA可以说是一个多面手,在灵活性上高于专用芯片ASIC,性能和实时处理能力优于CPU。通过现场对芯片进行硬件编程来实现不同的电路功能,FPGA也被誉为“万能芯片”,被广泛应用于航空航天、通信、工业控制、计算和存储、汽车电子、医疗器械、仪器仪表、广播和消费电子等行业,是新兴的大数据、云计算、5G、人工智能和自动驾驶等领域不可或缺的重要元器件。


凭着“可编程性”和“灵活性”等特性,FPGA近几年在5G通信、人工智能等具有较频繁的迭代升级周期、较大的技术不确定性的领域大放异彩。


根据Market Research Future数据显示,FPGA全球市场规模近年来稳步增长,从2013年的45.63亿美元增至2018年的63.35亿美元,预计2025年有望达到约125.21亿美元。


在应用起量的过程中,国内高端产品完全依赖进口、研发人才极度短缺、核心专利受限等情况也越发凸显。由于起步时间较晚,国内FPGA企业想要实现市场突围困难重重。


与此同时,当前中美贸易战影响下,国产化替代成为了市场的发展主旋律,但从当前国内的FPGA产品研发水平来看,要实现FPGA国产化替代,仍然有很长的路要走。

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寡头垄断特性显著

全球FPGA市场呈现寡头垄断格局,87%市场份额被赛灵思与英特尔(2015年收购Altera)占据,分别以56%和31%的占有率居于第一和第二;而Lattice与MicroChip(2018年收购Microsemi)分别位列第三和第四,共占有5.6%的市场份额。上述四家美国企业合计占有全球FPGA市场份额达92%以上。


从市场布局情况来看,赛灵思和英特尔主要布局的方向为数据中心、5G以及AI,主打平台为异构多核及自适应加速器平台;Lattice主要聚焦消费、工业互联等领域;而Microsemi由于采用反熔丝工艺,具备独到的加密性,因此其主要聚焦航空航天、军工及其他与加密相关的市场。


对于国内FPGA企业而言,所处市场可以说“僧多肉少”。


据了解,目前国内布局FPGA企业主要包括复旦微、安路科技、高云半导体、智多晶、771/772所、AGM、京微齐力等企业。


数据显示,2019年全球FPGA市场规模约69亿美元,中国FPGA市场约120亿人民币,其中民用市场约100亿,国产渗透率仅约4%。

FPGA研发门槛之高

FPGA门槛之高在芯片行业里无出其右,几十年来全球有60多家公司先后斥资数十亿美元,前赴后继地尝试登顶FPGA高地,其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业巨鳄,但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司:赛灵思(Xilinx)、Altera(2015年被英特尔收购)、Lattice、Microsemi(接近被Microchip收购,已完成了美国的反垄断审查,等待中国商务部的批准中)。


FPGA的进入门槛有多高?


一是专利技术壁垒。赛灵思从上世纪80年代开始做FPGA,在30多年时间里积累了丰富的技术和经验,在该领域有异常雄厚的技术底蕴,并与阿尔 特拉、莱迪思、美高森美等公司用近9000项专利构筑的知识产权壁垒,很大程度上堵死了后来者追赶的道路。即便是强如英特尔,最后也是以耗资167亿美元 收购阿尔特拉获得了FPGA领域的入场券,而非通过自主技术研发在FPGA领域站稳脚跟。


二是市场相对偏小。全球FPGA市场总额仅为50亿美元,而英特尔在2015年第四季度的营业收入就达149亿美元。相对偏小的市场份额很难养活太多的大公司,必然导致竞争异常激烈,仅仅少数佼佼者才能生存下来。


三是用户对FPGA性能要求高。FPGA很大一部分场景是做一些芯片模拟工作,使用者在其基础上做编程,必然会有很大性能损失,在性能降低了很 多以后,还要和CPU等芯片去匹配,使用户会对FPGA的性能有着越高越好的要求。另外,在军用领域,虽然局部场景对FPGA性能要求不高,国内反向设计 的FPGA也能满足使用需求,但也有很多场景对FPGA性能也有着非常高的要求。


同时,赛灵思、阿尔特拉等巨头在技术上处于绝对领先地位,其FPGA产品往往采用最先进的工艺,并且将工艺的潜力挖的很透,而后来的追赶者则没有这个条件和技术实力,导致性能上大幅逊色于两大巨头。

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中低端密度产品“破圈”

目前国外龙头赛灵思工艺技术已达7nm、10nm级,可实现4-5亿门器件规模。而国内企业目前工艺技术大规模量产的是40nm级,28nm级的FPGA仍处于研发测试阶段,尚未大规模商用。


尽管在先进工艺制程方面,国产FPGA技术落后较多,但在中低端密度相同产品中,国内FPGA产品性能丝毫不逊色,甚至部分性能、功能要超越国外器件。


具体而言,由于国外器件前期已经在国内市场应用,当客户在应用过程中向其反馈需求时,由于其产品多为标准化器件,不会针对性对某些客户需求进行优化更新,这便给国产FPGA企业带来机会。

举国之力 走自主发展路线

国内FPGA的发展只能依靠自主,这个必然需要漫长的等待和尽心的呵护,但除此之外没有更好的选择。芯片的自主设计是实现信息安全的最底层保障。这也是为什么与信息处理相关的基础芯片(手机芯片、PC处理器等)需要实现自制的原因。在目前FPGA的技术和供给几乎全部来源于美国,包括欧洲和日本等技术强国也没有掌握到核心技术。


对于中国而言,国家促进集成电路发展已经提升至国家战略。同时特殊的应用场景(军工、导弹、航天航空)要求的FPGA是涉及到国家安全和领土安全的,对芯片的要求也会比较严谨,但这一块本身高性能的产品国外对中国是禁运的,这也从另一方面促成国内FPGA自己满足的契机。目前,国内生产的FPGA主要用于军工、通讯、航空航天等领域。


在民用领域,国内是FPGA需求最大的市场,现在Xilinx、Altera最大的客户就在中国,通讯市场华为中兴烽火包揽了全国60%以上的量。同时人工智能芯片需求的高速并行计算对FPGA芯片的需求也在几十亿美元的数量级,而国内是人工智能高速芯片发展最快,需求最大的市场。中国FPGA的发展红利在于需求市场足够大,有需求就要有相应产品来支持。这对于国内厂家就是机会,目前,同方国芯片已经和华为中兴合作,想实现一部分的国产替代。


从技术角度来说,我们已经不像10年前基本不懂核心技术。国内半导体产业链的不断成熟完善,以及芯片设计能力的不断加强,我们自己可以自主设计和流片ARM架构的手机CPU,并成功实现商业化,这在10年前都不敢相信。在我们在过去积累的技术沉淀和创新能力,已经使得我们在FPGA的特定应用领域(军工、通讯)实现一定程度上的自我供给。未来也可能类似于CPU+FPGA用于云数据中心节中,这些应用领域都是信息高度敏高的地方,使用自主设计的芯片更能实现安全可控。


随着人工智能、大数据、物联网、无人驾驶、5G通信的兴起,FPGA的市场前景会越来越广。国内FPGA厂商要以点带面、加强整机企业对国产FPGA产业的牵引作用、借助国家重大项目推动国产FPGA产业发展、适当引入资本市场,推动产业的快速发展。多管齐下,国产FPGA的春天终将到来。到那时,我们定要重塑FPGA产业新格局。

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