《電子技術(shù)應(yīng)用》
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談?wù)剣a(chǎn)FPGA現(xiàn)狀

2018-05-31
關(guān)鍵詞: FPGA Lattice IC

  2018年上半年對于中國半導(dǎo)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(jìn)入華中科技大學(xué)電子系,中科院半導(dǎo)體所畢業(yè)后進(jìn)入聯(lián)發(fā)科從事手機(jī)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(jìn)聯(lián)發(fā)科的老大后來自己出來創(chuàng)業(yè)做安防芯片,,當(dāng)時(shí)喊我去他的團(tuán)隊(duì),,其實(shí)從一個技術(shù)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(shù),,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(shí)對于技術(shù)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(jié)知識的同時(shí)有機(jī)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(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元,,完成既定設(shè)計(jì)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(yùn)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(shè)定而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能電路,。FPGA的核心優(yōu)點(diǎn):可編程靈活性高,、開發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高,。同時(shí)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(shè)計(jì),。

  市場空間

  根據(jù)權(quán)威市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Gartner數(shù)據(jù)顯示,2014年全球FPGA市場總規(guī)模達(dá)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(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)2015年至2020年全球FPGA市場的年復(fù)合增長率為9%,,到2020年全球FPGA 市場規(guī)模將達(dá)84億美金。

  具體細(xì)分領(lǐng)域來看,,在FPGA被用于深度學(xué)習(xí)之前,,F(xiàn)PGA主要有3大應(yīng)用方向:(1)通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì),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(shí)就需要FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,比如對數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)計(jì)算方向,,包括圖像處理,,雷達(dá)信號處理,醫(yī)學(xué)信號處理等,,優(yōu)勢是實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)者在上面進(jìn)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(shí),,它還是簡單的膠合邏輯芯片,而如今在信號處理和控制應(yīng)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、Agere Systems,、AMD以及摩托羅拉等國際知名的芯片設(shè)計(jì)廠商,。這是因?yàn)椋愳`思和Altera在這個領(lǐng)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(hù)對后來者形成了強(qiáng)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?yàn)榉N種原因市場份額不斷下滑,并沒有實(shí)現(xiàn)對雙寡頭的突破和挑戰(zhàn),。

  可以說,,F(xiàn)PGA是全球芯片設(shè)計(jì)業(yè)最需要技術(shù)和壟斷突破的產(chǎn)品之一,在所有的芯片領(lǐng)域中屬于最難以突破和打破格局的技術(shù)產(chǎn)品,。

  Xilinx:發(fā)明的FPGA顛覆了半導(dǎo)體世界,,創(chuàng)立了Fabless(無晶圓廠)的半導(dǎo)體模式。Xilinx的產(chǎn)品組合融合了 FPGA,、SoC 和 3DIC 系列 All Programmable 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(jì)算所驅(qū)動的各種智能,、互連和差異化應(yīng)用,。2014年12月,Xilinx的20nm芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),,2015年Xilinx緊接著推出新的16nm FPGA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(lǐng)先,。公司產(chǎn)品縱向布局各個制程,因?yàn)?0nm,、28nm,、40nm等制程的產(chǎn)品會在市場共存,,以滿足復(fù)雜度不同的各種應(yīng)用,。

  Altera:是世界上“可編程芯片系統(tǒng)”(SOPC)解決方案倡導(dǎo)者,。結(jié)合帶有軟件工具的可編程邏輯技術(shù),、知識產(chǎn)權(quán)(IP)和技術(shù)服務(wù),,在世界范圍內(nèi)為14,000多個客戶提供高質(zhì)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?fù)瓿?,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(lǐng)風(fēng)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(diǎn)之戰(zhàn),。

  Lattice:Lattice(是全球智能互連解決方案市場的領(lǐng)導(dǎo)者,也是全球第二大FPGA廠,,提供市場領(lǐng)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(jì)算機(jī)、工業(yè),、汽車,、醫(yī)藥、軍事及消費(fèi)品市場的原始設(shè)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(tuán)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(nèi)FPGA如何破局,,如何發(fā)展,,在無法通過外延引入技術(shù)的條件下,,國內(nèi)也只能通過人研發(fā)和技術(shù)積累打破當(dāng)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(shù)精英,,他們采用了SoC FPGA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(shí)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(nèi)行情和市場環(huán)境下,公司在發(fā)出自己最強(qiáng)音后也由于種種原因走入困境,,讓自己舉步維艱,。FPGA對技術(shù)支持的門檻相當(dāng)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(shù)工程師保持長時(shí)間的維護(hù)和跟進(jìn),,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(shí)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(shè),。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(shè)計(jì)資源,,從而突出系統(tǒng)優(yōu)勢,迅速適應(yīng)各種市場應(yīng)用變化,,快速搶占市場高地,。同時(shí),,市場上的認(rèn)可是決定芯片廠商能不能在高速的產(chǎn)品迭代中實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(nèi)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(shù)研究人員在進(jìn)入了后續(xù)成立的上海安路科技,AGM和高云半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)里,。也就是說,,京微雅格在中國FPGA領(lǐng)域的開山鼻祖一樣的存在使得散亂后的技術(shù)人才分散都國內(nèi)其余的公司中,成為了人才與技術(shù)的黃埔軍校,。

  高云半導(dǎo)體:高云半導(dǎo)體的CEO朱璟輝和SVP宋寧都來自于Lattice團(tuán)隊(duì),,尤其是朱璟輝,從清華大學(xué)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(xiàng)美國專利,,5項(xiàng)中國專利,目前還是科技部863計(jì)劃的可編程器件重大專項(xiàng)的技術(shù)負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)高云半導(dǎo)體FPGA全流程軟件開發(fā),,對FPGA架構(gòu),、硬件設(shè)計(jì)、軟件研發(fā)同步開發(fā)有獨(dú)到經(jīng)驗(yàn),。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(quán)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(dǎo)體切入和對標(biāo)的是Altera MAX V10和Lattice XO2/3,;100萬門-500萬門易失性FPGA產(chǎn)品,,采用臺積電55nm基于SRAM,可與Xillinx Spartan及Altera Cyclone系列PK,。近日,,高云宣布研發(fā)成功了GW3AT-100,這是國內(nèi)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(tuán)隊(duì)來自海外高級技術(shù)管理人才,、國外FPGA公司產(chǎn)品開發(fā)骨干以及學(xué)術(shù)界資深FPGA科研人員組成。公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)60%以上是復(fù)旦,、交大,、UCLA、UIUC等國內(nèi)外高校的碩士或者是博士,,具有很強(qiáng)的研究能力和設(shè)計(jì)水準(zhǔn),。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(shù)研和管理工作,參與開發(fā)了多款世界領(lǐng)先的FPGA 芯片和最好的EDA 開發(fā)系統(tǒng),。安路當(dāng)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(shí)際應(yīng)用了的千萬門級FPGA IP核(AL3-130)。華大半導(dǎo)體入股之后,,其作為國內(nèi)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(bǔ)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(nèi)領(lǐng)先的以可編程邏輯技術(shù)為基礎(chǔ),,提供應(yīng)用市場SoC芯片的半導(dǎo)體集成電路無生產(chǎn)線設(shè)計(jì)公司,。由來自美國硅谷知名可編程邏輯芯片企業(yè)的團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)資深工程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦。AGM是以開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的編譯軟件開始,,兼容切入現(xiàn)有FPGA軟件的生態(tài)鏈,。看到智能手機(jī)風(fēng)口的AGM也不失時(shí)機(jī)出了一款用于智能手機(jī)和loT的FPGA芯片,,在助力客戶逐漸退出低端市場之時(shí),,把握住機(jī)會,通過價(jià)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(kuò)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(nèi)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(yīng)用市場,基本上被同創(chuàng)國芯(深圳國微)壟斷,。連當(dāng)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Titan PGT30G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(quán)的體系結(jié)構(gòu)和主流先進(jìn)制造工藝,帶有DDR3和PCIe接口,,是國內(nèi)少有的千萬門級FPGA,。另外采用了臺灣聯(lián)華UMC代工先進(jìn)的40nm制程,在國內(nèi)領(lǐng)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(nèi)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(hù),,但除此之外沒有更好的選擇。芯片的自主設(shè)計(jì)是實(shí)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(guān)的基礎(chǔ)芯片(手機(jī)芯片,、PC處理器等)需要實(shí)現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來源于美國,,包括歐洲和日本等技術(shù)強(qiáng)國也沒有掌握到核心技術(shù),。

  對于中國而言,,國家促進(jìn)集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略,。同時(shí)特殊的應(yīng)用場景(軍工、導(dǎo)彈,、航天航空)要求的FPGA是涉及到國家安全和領(lǐng)土安全的,,對芯片的要求也會比較嚴(yán)謹(jǐn),但這一塊本身高性能的產(chǎn)品國外對中國是禁運(yùn)的,,這也從另一方面促成國內(nèi)FPGA自己滿足的契機(jī),。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工,、通訊,、航空航天等領(lǐng)域。

  在民用領(lǐng)域,,國內(nèi)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(shí)人工智能芯片需求的高速并行計(jì)算對FPGA芯片的需求也在幾十億美元的數(shù)量級,,而國內(nèi)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(yīng)產(chǎn)品來支持。這對于國內(nèi)廠家就是機(jī)會,,目前,,同方國芯片已經(jīng)和華為中興合作,想實(shí)現(xiàn)一部分的國產(chǎn)替代,。

  最后,,從技術(shù)角度來說,我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù),。國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善,,以及芯片設(shè)計(jì)能力的不斷加強(qiáng),我們自己可以自主設(shè)計(jì)和流片ARM架構(gòu)的手機(jī)CPU(海思麒麟,、大唐聯(lián)芯),,并成功實(shí)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(shù)沉淀和創(chuàng)新能力,,已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應(yīng)用領(lǐng)域(軍工、通訊)實(shí)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(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方,使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)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(shù)的追求會停留下來,。因?yàn)閷τ诤芏嗳藖碚f,,等到技術(shù)產(chǎn)生產(chǎn)品并融到資金后,實(shí)現(xiàn)技術(shù)積累到資本積累了,。技術(shù)再產(chǎn)生的價(jià)值短時(shí)間內(nèi)比資本產(chǎn)生的價(jià)值會慢很多,,多數(shù)人會從技術(shù)上轉(zhuǎn)向資本市場。這樣一遍遍反反復(fù)復(fù),,所以能看到在技術(shù)達(dá)到一定的平臺后會長時(shí)間的原地踏步,,后來者也會跟隨前面人的腳步。

  2.所謂的產(chǎn)業(yè)扶持,,切不可本末倒置和打著旗幟反革命,。芯片不簡單的是需要資本的支撐,因?yàn)椴煌晟婆c不合理的資本炒作反而會使的行業(yè)在潮水退去后一地雞毛。芯片更多的屬于技術(shù)積累型行業(yè),,所有的產(chǎn)品和參數(shù)都需要技術(shù)員工在工作中不斷地去突破和思考,,而對于這樣一群工程師來說,報(bào)酬如果不匹配勞動支出,,行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人才出走與流失是再自然不過的事情了,。因此,產(chǎn)業(yè)的扶持不僅僅是資本對公司層面的支撐,,更需要落實(shí)到一個個基層中的技術(shù)員工,。

  3.芯片行業(yè)起步容易,往上層走會很難,。芯片做到一定程度后,,不再是簡單的技術(shù)積累能解決的,一定需要對物理和數(shù)學(xué)有比較深的認(rèn)知,,在整個高的角度去處理基礎(chǔ)難點(diǎn),,而這對人才的需求地要求是非常高的。

  4.市場需求端,,任何一種芯片從推出到應(yīng)用,,需要幾代產(chǎn)品的更迭。國內(nèi)芯片起步晚,,產(chǎn)品性能和國外差距較大,,因此會形成一種困局:國內(nèi)應(yīng)用端不用國內(nèi)產(chǎn)品,國內(nèi)產(chǎn)品更迭跟不上會導(dǎo)致公司倒閉或者產(chǎn)品無法持續(xù)更新,。國外芯片行業(yè)干了幾十年,,技術(shù)路線上的坑和陷阱被先行者填補(bǔ)了很多,而芯片行業(yè)并不存在后發(fā)優(yōu)勢,,之前別人留下的坑還會繼續(xù)存在哪里,,甚至還需要去避免國外廠商在探索過程中申請的成千上萬的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)新增的坑。

  5.芯片行業(yè)的國產(chǎn)化任重而道遠(yuǎn),,我們需要在整個過程中慢慢的去探索,。急功近利和空喊口號只不過給了投機(jī)分子空間可鉆,。呵護(hù)芯片行業(yè)同時(shí)也要提升技術(shù)人員的福利,。

  后面會陸陸續(xù)續(xù)的再說一下我了解的國內(nèi)外模擬芯片的事吧。


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