不怕EDA被卡脖子，国产高端FPGA突破“技术铁幕”
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2021-03-01 14:20
作者 | 包永刚
出品 | 雷锋网产业组
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。
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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对雷锋网表示：“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。
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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。
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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。雷锋网了解到，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。
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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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