年度爆火的國(guó)產(chǎn) FPGA 芯片

PGA 市場(chǎng)仍由美國(guó)三大巨頭 Xilinx（被 AMD 收購(gòu)）、Altera（被 Intel 收購(gòu)）、Lattice 主導(dǎo)，占據(jù)八成以上的份額。

然而近日，一則國(guó)際 FPGA 大廠即將漲價(jià)的消息在行業(yè)內(nèi)掀起波瀾。

FPGA，漲價(jià)

近日，Altera 宣布為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)壓力和運(yùn)營(yíng)成本上漲，將對(duì)部分 FPGA 產(chǎn)品系列價(jià)格進(jìn)行調(diào)整，新價(jià)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(jià)產(chǎn)品系列包括：

• Cyclone 10 GX/LP、Cyclone V、Cyclone IV、MAX 10 和 MAX V 系列價(jià)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(jià)格上調(diào) 20%。

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

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(hào)處理芯片 DSP 等）、存儲(chǔ)器芯片（Memory）、專用集成電路芯片（ASIC）和現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(dòng)化）軟件對(duì) 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(cè)，預(yù)計(jì) 2025 年全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將超過 125 億美元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(dòng)。在 5G 市場(chǎng)，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(cè)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(shí) 5G 基站密度大概是 4G 基站的 1.5 倍。因此，5G 時(shí)代，基站對(duì)于 FPGA 的需求量大概就是 4G 時(shí)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(jià)值。但在邊緣 AI 領(lǐng)域，大部分市場(chǎng)都達(dá)不到這個(gè)芯片用量。這部分需求基本都轉(zhuǎn)向了 FPGA，通過對(duì) 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(gè)月至一年的芯片流片周期。

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

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

壓力在于，價(jià)格上漲對(duì)用到 FPGA 的客戶來說成本會(huì)大大提高，并且需要提防進(jìn)口產(chǎn)品繼續(xù)漲價(jià)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(duì) FPGA 產(chǎn)品進(jìn)行漲價(jià)，國(guó)內(nèi)公司對(duì)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(guó) FPGA 的自主研發(fā)賦予了強(qiáng)大的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，并開辟了廣闊的市場(chǎng)空間。

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

國(guó)產(chǎn) FPGA 產(chǎn)品力如何？

目前，主流的國(guó)內(nèi) FPGA 廠商已從跟蹤研仿國(guó)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(guó)產(chǎn) FPGA 生態(tài)體系，且該體系已初見雛形。未來幾年中國(guó)的 FPGA 企業(yè)預(yù)計(jì)會(huì)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(huì)有各自的特點(diǎn)，形成差異化競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前主流的幾家 FPGA 產(chǎn)品線都有些什么特色呢？

目前，國(guó)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(guó)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(shí)紫光國(guó)微主攻做國(guó)產(chǎn)化，另外專門拉了一個(gè)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，要進(jìn)移動(dòng)通信。經(jīng)過十多年的努力，紫光同創(chuàng)成為國(guó)內(nèi)供貨量最大的 FPGA 廠商，同時(shí)在產(chǎn)業(yè) FPGA 領(lǐng)域，不管是在技術(shù)、產(chǎn)品成熟度、市場(chǎng)規(guī)模，還是商業(yè)化程度上，紫光同創(chuàng)都是國(guó)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(jià)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(jià)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(jí)電源管理、上電時(shí)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(gè)產(chǎn)品型號(hào)。

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(dòng)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(dòng)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(shí)啟動(dòng)，無需要外部 Flash，支持 OTP 模式，55nm 工藝，部分產(chǎn)品型號(hào)內(nèi)嵌硬核 MCU。

2024 年上半年，安路科技新一代現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(chǎng)可編程系統(tǒng)級(jí)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(hào)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(chǔ)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(guó)內(nèi)首家推出億門級(jí) 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(chǎng)景也在擴(kuò)大，并已經(jīng)形成千萬門級(jí) FPGA 芯片、億門級(jí) FPGA 芯片、十億門級(jí) 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(dòng)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(tái)上進(jìn)一步豐富譜系，持續(xù)推出更具競(jìng)爭(zhēng)力的 FPGA、PSoC 以及 FPAI 產(chǎn)品。

總的來看，目前，國(guó)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(gè)制程節(jié)點(diǎn)。大部分國(guó)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(chǎng)，國(guó)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(guó)防領(lǐng)域。而 500K 以上的高容量 FPGA 仍是目前國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)。

國(guó)產(chǎn) FPGA 廠商的差距與機(jī)遇

28nm 生命周期比以往代際更長(zhǎng)，國(guó)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?jī)r(jià)齊跌的市場(chǎng)。因此，市場(chǎng)玩家必須努力競(jìng)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(zhǎng)，國(guó)內(nèi)廠商制程在 28-90nm 的產(chǎn)品為主，這無疑給予了國(guó)產(chǎn)廠商更寬廣的發(fā)展空間。

中國(guó)大陸FPGA 市場(chǎng)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(guó)內(nèi)的 46 倍。雖然在容量上，國(guó)產(chǎn)廠商與國(guó)際廠商還存在較大差距，但是從中國(guó)的市場(chǎng)需求來看，本土 FPGA 市場(chǎng)目前以容量<500K 產(chǎn)品為主，而這一市場(chǎng)也是當(dāng)下國(guó)產(chǎn)廠商所擅長(zhǎng)的。

沖高端，也是國(guó)產(chǎn)廠商的機(jī)遇之一。雖然低端 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模最大，但是進(jìn)入壁壘相對(duì)較低，在位企業(yè)難以產(chǎn)生壟斷性的優(yōu)勢(shì)。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(shì)。因此，高端 FPGA 是本土廠商想要快速成長(zhǎng)所必須進(jìn)入的市場(chǎng)。目前也可以看到廠商們?yōu)榇俗龀龅呐εc投入。目前，國(guó)產(chǎn) FPGA 的最先進(jìn)制程達(dá)到 14/16nm。例如，2019 年紫光國(guó)微官網(wǎng)新聞曾顯示，紫光同創(chuàng)已啟動(dòng)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(jí) 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(chǎng)角度來看，數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)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(guó)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(shí)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(shí)，與 CPU、GPU、ASIC 等產(chǎn)品相比，F(xiàn)PGA 芯片具備較高的利潤(rùn)率。中低密度百萬門級(jí)、千萬門級(jí)的 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)，其利潤(rùn)率接近 50%；而高密度億門級(jí) FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)的利潤(rùn)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(guó)產(chǎn) FPGA 公司整體的收入表現(xiàn)。