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不怕 EDA 被卡脖子:国产高端 FPGA 突破 “技术铁幕”

关键词:EDA FPGA

时间:2021-03-02 10:14:23      来源:互联网

相比几十亿出货量、市场规模千亿美元的 CPU 和 GPU,市场规模还未超百亿美元的 FPGA 并非大众关注的焦点。

相比几十亿出货量、市场规模千亿美元的 CPU 和 GPU,市场规模还未超百亿美元的 FPGA 并非大众关注的焦点。

不过,在提升国产芯片自主化率的大背景下,与 CPU、GPU、DSP 共称为国产芯片 “四大件”的 FPGA 对于真正实现芯片国产自主有着基础性作用,已经有中国 FPGA 公司在设计环节打破了对国外公司的依赖,直接参与 FPGA 的全球竞争。

FPGA 的独特性,让国产 FPGA 已经在中低端市场可以不被 EDA 卡脖子。未来五年,国产 FPGA 在高端市场有望深度突破。当然,软硬件技术挑战以及全球 FPGA 市场格局的变化都是国产 FPGA 实现高端和极高端市场突破的挑战。

FPGA 更容易实现国产替代

CPU、GPU、DSP、FPGA 这四大类计算芯片中,FPGA 更容易实现完全自主可控。这是因为,CPU、GPU、DSP 可以归类为 ASIC 芯片(专用集成电路),全球范围内想要设计这三类芯片的公司难以摆脱 EDA(电子设计自动化工具)三巨头和美英 IP 公司的依赖。

与此不同,FPGA 设计流程中用到 EDA 和 IP 需要芯片厂商向客户提供,以适应客户的要求。全球几家市占率较高的几家 FPGA 公司都是向客户提供自家的 EDA 工具。这就意味着,FPGA 的设计更容易摆脱国外 EDA 和 IP 公司的限制。

高云半导体总裁宋宁表示:“目前,高云是在国产化进程中有实力提供自主研发的独立完备 FPGA 应用设计体系(IC、IP、EDA 融汇结合)的公司,打破并打通了 FPGA 设计中的关键依赖环节,直接参与 FPGA 领域的全球竞争 。”

宋宁曾在莱迪斯、Cadence 任职,有多年 FPGA 领域的丰富经验,他进一步表示:“国产化替代实现了 FPGA 应用领域设计流程中 EDA 和 IP 环节的全面自主技术产权化,等于建立起一套完整的国产自主的小型化集成电路芯片工业设计体系,为最终全面实现国产集成电路芯片工业(ASIC 类的 CPU,GPU,DSP 等)的自主技术产权化奠定基础。这就是 FPGA 实现国产自主更为明显的价值体现。”

目前,国产 FPGA 芯片已经广泛应用于消费电子领域,但主打中低端产品。FPGA 芯片的重要性能指标之一是查找表(Look-Up-Table,LUT),LUT 数量的多少与 FPGA 的性能呈正相关关系。

国产 FPGA 起步于消费电子市场,主打的是低端 (<10K-LUT 级别)和中端 (>100K-LUT 级别) 的 FPGA 芯片,如今正快速涉及通信、汽车市场,主打产品将会从中端 (<100K-LUT 级别) 推向高端 (从 100 至 500K-LUT 级别) 的 FPGA 芯片。

迈向高端的过程对国内 FPGA 公司而言并非易事。

国产 FPGA 迈向高端的三大挑战

全球 FPGA 市场最近几年发生了重要的变化。自 1984 年赛灵思(Xilinx)发明 FPGA 以来,经过多年的整合兼并,FPGA 市场呈现了赛灵思和 Altera 平分秋色,Lattice 和 Actel(2010 年被 MicroSemi 收购)暗中抢占市场份额的格局。

2015 年,intel 以 167 亿美元收购 Altera 打破了原有的 FPGA 市场格局。

有意思的是,去年 10 月,intel 的竞争对手 AMD 也宣布将以 350 亿美元收购赛灵思,预计交易将于 2021 年底完成。两大 FPGA 芯片公司相继被收购是 AI、5G 和云计算的技术发展趋势下的行业整合,巨头间的整合也改变着全球 FPGA 市场的格局。

“intel 和 AMD 都是超级 CPU 公司,分别收购两大 FPGA 公司的目的在于结合 CPU 的超强算力和 FPGA 超大规模 I/O 接口与并行计算能力打造下一代 AI 技术芯片。这必然会让原来市占率最高的两大 FPGA 公司不得不转向专注结合高端 CPU 和 AI 的专业市场。”宋宁表示。

“就拓展市场占有率而言,两笔收购对夺通用 FPGA 市场的国产 FPGA 厂家,包括中国公司,长远来说应该是利好,因为两大巨头公司对通用 FPGA 市场的关注度会减弱。”

长远利好的竞争格局下,国产 FPGA 向高端市场迈进的软硬件挑战依然巨大。高端 (从 100 至 500K-LUT 级别) 和极高端(500K,乃至 1M 或 nM-LUT 以上)FPGA 芯片,先进工艺非常重要。

赛灵思在 28nm 工艺节点的代工厂从联华电子转向台积电后,开始领先于 Altera。到了 20nm,赛灵思进一步拉大与 Altera 的差距。之后,Altera 被 intel 收购后转向 intel 的 14nm 工艺,一定程度影响了其产品进展,而赛灵思则借台积电的 16nm 工艺进一步扩大优势。

2019 年时,两大巨头公司相继发布了全球 “最大”FPGA。赛灵思在 8 月发布的全球最大容量的 FPGA 基于台积电的 16nm 工艺,集成 350 亿个晶体管、900 万个系统逻辑单元。三个月后,英特尔宣布推出全球容量最大的 FPGA,采用 14nm 工艺制造,集成了 443 亿个晶体管,在 70×74 毫米的封装面积内拥有 1020 万个逻辑单元。

国产 FPGA 想要在高端和极高端市场成功突破,自然也需要先进工艺制程的支撑,但国内晶圆代工厂与台积电、三星这样全球领先的晶圆代工厂仍有明显的差距,这给国产高端 FPGA 实现完全自主可控带来了挑战。

除了制造方面的挑战,宋宁还指出,与高端、极高端 FPGA 芯片相适应的 FPGA EDA 工具,包括传统的前端 RTL-VHDL/Verilog 综合工具,以及后端布局布线(Place&Rout)工具的自主研发与自主产权同样是国产高端 FPGA 实现突围的挑战。

在制程和 EDA 工具提升的过程中,还会涉及到专利保护的问题。

”国产 FPGA 替代应立足全面主导消费电子市场的目标,以及深度切入通信和汽车市场竞争的方向,这三大 FPGA 传统应用领域,仍将是 FPGA 替代机会最大的市场。”宋宁认为。

正在快速发展的 5G 和 AI 也是不容忽视的好机遇。

国产 FPGA 在 5G 和 AI 时代的大机会

根据 Market Research Future(MRFR)的统计,2019 年全球 FPGA 市场规模约为 69 亿美元。MRFR 预计,在 5G 和 AI 的推动下,2025 年全球 FPGA 市场规模有望达到 125 亿美元,年复合增长率为 10.22%,其中亚太地区是重要的增量市场。

通信作为 FPGA 的重要应用市场,5G 基站以及终端都对 FPGA 有巨大的需求。目前国产 FPGA 在 5G 领域最大的机会在用户端消费电子领域,尤其在各式各样的音、视频转换接口,以及各式各样的通信协议转换接口领域。究其原因还是 FPGA 芯片可编程,多 I/O 的特点非常适合各类转换接口的设计。

至于 AI,FPGA 的机会在于与超强算力的 CPU 结合,在云端结合大数据进行分析和预测应用,例如人脸识别,声纹识别,身份识别,行为识别等等。“中国拥有全球最大的超级数据库以及与之相关联的大数据类分析、预测的应用场景,所以,国产 FPGA 在 AI 领域机会巨大。”宋宁表示。

作为国产 FPGA 的代表之一,高云会如何抓住 5G 和 AI 的机会突破高端市场?

据介绍,高云半导体从一开始就致力建立独立完备 FPGA 应用设计体系的高度,打造自行开发的 FPGA 应用设计 EDA 工具,以及成体系的 FPGA 应用软核 IP 库,在市场需求的变化下,打造具备多样内嵌功能块硬核的低功耗,小型薄片化 FPGA IC 产品。同时,推进高端产品的研发。

宋宁说:“高云在 5G 市场进行了六个方面的产品优化和布局,包括核心电压低至 0.95V 的低功耗化,间距只有 0.4mm 的封装小型化,将 FPGA 内核与多种存储体内核组合的多样化,将特定功能硬核接口内置 FPGA 的集成化,将 MCU 硬核内置 FPGA 的智能化,以及面向各种应用配备各类软核 IP 的灵活化。”

“FPGA 类型众多,功能齐全是高云产品的优势特点。这也是我们多年在产品规划、布局的结果。”宋宁表示。

面向 AI 市场,高云在 2020 年推出了适用于 AI 边缘计算的产品,利用高云的 FPGA SoC 内嵌 MCU,提供快速反应、高效处理定制化数据,性价比高的 FPGA,与巨头的超强 CPU 与 FPGA 结合的策略形成差异。

在这个过程中,国产 FPGA 也可以从低端的消费类音频 FPGA 市场,拓展到中低端工业控制、监控 FPGA 市场,最终迈向中高端的通信、汽车 FPGA 市场。

小结

多个市场研究机构预测,2021 年到 2026 年中国 FPGA 市场规模有望占到全球 FPGA 市场规模的一半以上,中国将成为 FPGA 公司的必争之地。不过,国外公司仍旧主导这一市场的竞争,在国产替代的背景下,包括高云在内的国内 FPGA 公司第一生存级别的竞争对手仍旧是国外公司。

国产 FPGA 的高端替代机遇与挑战共存。宋宁预计,未来五年,国产 FPGA 有望在低端和中端市场市场上占主动地位,在高端市场有望深度突破,极高端市场仍任重道远。

2018 年,FPGA 国产化率仅 4%,5 年后 FPGA 的国产化率值得期待。

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