预估2019年上半年中国IC销售收入仍将有6%的增长

  FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,它由输入/输出块、可配置逻辑块和可编程互联三部分组成,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。

  经过30多年的发展,FPGA已经不再是那个当初简单的“可编程器件(PLD)”了,它内部集成了更多需要灵活配置的可半定制化的功能,比如Xilinx和Altera/Intel内部集成了硬核化的CPU。因此,可以说现在的FPGA更像是芯片领域的“变形金刚”,五脏俱全并可以变化万千。

  在应用领域方面,FPGA的使用非常灵活。它可以应用在航空航天/国防、消费电子、工业、通信、数据中心、汽车、医疗、嵌入式视觉和测试测量等领域。

  在人工智能时代,虽然GPU炙手可热,但在灵活性和高性能之间想要达到最佳的平衡的话,FPGA绝对是不二之选。这也是为什么这两年国内FPGA的创业公司涌现出了不少,国外一些初创FPGA公司也开始兴起的原因。

  FPGA的市场规模

  据MRFR统计2018年全球FPGA市场规模为60亿美元左右,随着AI+5G的应用逐步展开,其市场规模有望在2025年达到125亿美元,年复合增长率为10.22%。其中在亚太地区,尤其是在中国,由于新兴基础建设应用的铺开,FPGA的复合增长率有望高于其他地区,成为FPGA重要的增量市场。

预估2019年上半年中国IC销售收入仍将有6%的增长

  图1:2013年~2025年全球FPGA市场规模。(单位:百万美元。数据来源:MRFR)

  因此,对FPGA厂商来说,接下来几年是一个重要的发展时期。除了被Intel收购的Altera属于IDM外,其他FPGA厂商多以Fabless模式运营,目前最先进的是由Xilinx推出的7nm工艺FPGA,制造厂商为台积电(TSMC)。

预估2019年上半年中国IC销售收入仍将有6%的增长

  图2:FPGA不用市场应用领域的规模、市场份额,以及预计年复合增长率。(数据来源:MRFR)

  在市场应用领域,电子通信仍然占据了主要的市场份额,达到了40%左右,这里有5G和AI的需求推动。而未来成长速度更快的应该是汽车和数据中心应用,年复合增长率A将会分别达到13.1%和12.18%。

  另外,在市场份额方面,主要还是欧美厂商为主,其中Xilinx和Intel两家合计占了市场的72%。国产FPGA虽然发展多年,但由于FPGA软件开发难度大,需要先进的制造、封测工艺、IP多且杂,因此国产FPGA的发展存在严重滞后。

预估2019年上半年中国IC销售收入仍将有6%的增长

  图3:FPGA主要厂商及其市占率。(数据来源:MRFR)

  不过近几年来,我国加速了FPGA的国产化进程,无论是企业、政府,还是资本都在支持国产FPGA的发展;加上在AI、IoT、5G快速发展的推动下,我国将有庞大的FPGA增量市场。因此,可以说,现在正是国产FPGA厂商切入的最佳时期。

  国内FPGA厂商及产品

  国内FPGA厂商目前有京微齐力、复旦微电子、紫光同创、高云半导体、安路科技和西安智多晶等。目前国产FPGA厂商主要还是以40nm、55nm产品为主。

  京微齐力

  京微齐力脱胎于2005年成立的京微雅格,由于FPGA是一项资金消耗量巨大、研发时间久、回报周期长的产品,2016年时,京微雅格出现资金链断裂,随后陷入经营困境。

  据当时媒体报道,在其核心管理层坚守18月后,只剩下8位员工,后再征求到原公司股东同意的前提下,时任副总裁的王海力与其他8位同事最终决定二次创业,在2017年6月成立了“京微齐力(齐力科技)”,王海力出资200万元,任董事长兼总经理。原公司以存续的状态继续维持着,同时将其所有产品、技术等全部独家授权给现公司使用。

  据其公司官网介绍,京微齐力总部位于北京亦庄,在中关村设有研发中心,在上海、深圳有技术支持和市场销售团队。该公司在天使轮拿到到了近700万元的融资,此轮由泰有基金领投,水木基金、臻云创投、泰科源跟投;随后在2018年1月份又完成了数千万元的Pre-A轮融资,领投方为海康基金。

  据悉,京微齐力获得了“京微雅格”上百件FPGA专利和专有技术(含国际专利)的授权及二次开发权,在原“京微雅格”产品基础上推出了包括HME-R(河)系列、HME-M(山)系、HME-C(云)系列和HME-P(星)系列产品,同时还推出了HME-H(大力神)系列、HME-A(阿凡达)和HME-E(悟空)系列产品。同时,还有配套的FX-伏羲软件。

  R(河)系列的产品定位于可穿戴设备和便携式移动终端(如LTE及未来的5G智能电话、移动智能终端(Tablets)如iPAD/eBook、销售服务POS终端)、物联网终端、智能安防监控设备、个人医疗监控设备、太阳能光伏设备以及北斗产业相关的各类终端等领域。

  该系列产品采用40纳米工艺成功量产2颗“河”系列微功耗FPGA芯片,可用于智能手机、物联网、AR/VR等多个应用领域。该系列产品有768到3072个4输入查找表(LUT),采用先进的逻辑结构,精确映射设计;具有128位AES配置文件密钥及用户自定义安全ID;支持用户可配置IO,最多可提供80对LVDS IO。

  C(云)系列产品定位于高性能的网络交换、通信系统、信息安全、电力运营、大数据和云计算等高端应用领域。针对这类市场特点,C系列产品将在设计的独特性、定制化、高性价比以及软件灵活性等方面体现出优势。iSuppli市场分析数据表明,上述重点领域占据FPGA 40%以上的市场份额。全球最大FPGA客户华为公司及中兴等国内其他大客户每年各自采购FPGA器件的金额高达数亿美元。公司研制的第一颗千万门级C系列芯片C1开始提供工程样片,为国产FPGA芯片进入通信电力等核心领域奠定基础。该系列产品采用的是40nm CMOS工艺,以及全新的LUT6架构,可等价于60K 4输入LUT逻辑单元;具有高达6.5G bps Serdes高速I/O。

  其他几类产品基本上还都处于研发中。

  复旦微电子

  复旦微电子是1998年7月,由复旦大学“专用集成电路与系统国家重点实验室”、上海商业投资公司和一批梦想创建中国最好的集成电路设计公司(芯片设计)的创业者联合发起创建的。该公司已于2000年8月4日在香港上市(股票编号:1385),成为国内集成电路设计行业第一家上市企业。主营业务包括金融IC卡,NFC芯片,FPGA芯片等。

  据悉,从上世纪90年代至今,复旦微电子已开发了6代FPGA产品,承接了多项FPGA重大专项项目,形成了技术精湛的FPGA研发团队,突破了大规模FPGA产品的软硬件关键技术。

  该公司在2018年5月推出的FPGA产品JFM7K325T,对标Xilinx同型号的产品XC7K325T,突破了在传统集成电路设计基础上的高可靠性设计,采用了全新的亿门级FPGA创新架构,并集成了专用超高速串并转换模块、高灵活可配置模块、专用数字信号处理模块、高速内部存储模块、可配置时钟模块等适用亿门级FPGA应用的模块电路。

  据说,上海复旦微电子的器件直接可以用Xilinx的Vivado套件直接编译。

  紫光同创

  背靠紫光集团的深圳市紫光同创电子有限公司是一家专业从事可编程逻辑器件(FPGA、CPLD等)研发与生产销售,是紫光集团“芯云战略”中“芯”的重要组成之一。也是深圳市国微电子有限公司成立了全资子公司。其产品覆盖通信网络、信息安全、人工智能、数据中心、工业物联网等领域。

  据其官网介绍,紫光同创注册资本3亿元,总投资超过10亿元,产品市场覆盖通信网络、工业控制、视频监控、消费电子等领域。其总部设在深圳,拥有上海、北京等分公司,公司人数超过300人,研发人员占比超过80%,拥有专利近200项。

  紫光同创的主要FPGA产品有Titan系列、Logos系列和Compact系列。

  其中,Titan系列产品是其推出的全新的高性能千万门级FPGA产品,采用了自主知识产权的体系结构和40nm工艺;具有高达174K等效LUT4逻辑单元;系统最高频率为500MHz,块存储器资源高达9Mbit;支持多种高速IO接口:SERDES速率6.25Gbps,DDR3速率1066Mbps,LVDS速率1.25Gbps,PCIE Gen 2.0 X1/X4 及1000M/10G以太网等;支持SPI/JTAG/并行/串行等多种编程加载方式,支持远程加载。主要适用于通信网络、信息安全、数据中心、工业控制等领域。

  Logos系列产品是其推出的高性价比FPGA产品,采用了全新LUT5结构的40nm工艺,具有灵活可编程的CLM,每个CLM包含4个LUT5和6个寄存器;集成了DSP处理单元、256bit AES加密算法,带有高速MIPI接口和DDR3接口,此系列为各类成本敏感型、有加密设计需求和高速DDR3带宽的应用提供最大价值,广泛应用于工业控制、通信、消费类等领域。

  Compact系列则属于超低功耗的CPLD产品,采用了基于55nm的eFlash工艺,具有1K~7K LUT4逻辑单元,支持3.3/2.5V内核或低电压1.2V内核器件可选;支持MIPI、LVDS、I2C、SPI、OSC、RAM、PLL等;封装可低至2.5mm×2.5mm,用户IO可高达336个。专门为了满足低功耗、低成本设计需求而设计。可应用于通信、消费电子、无人机和工业等领域。

  该系列芯片的首款产品PGC2400G已经完成研发并已流片,预计今年第三季度向市场提供工程样品。

  此外,该公司还在继续推进新一代Titan2系列可编程芯片的研发,据说已经取得了大部分关键技术的突破。

  软件方面,Pango Design Suite是紫光同创基于多年FPGA开发软件技术攻关与工程实践经验而研发的一款拥有国产自主知识产权的大规模FPGA开发软件,可以支持千万门级FPGA器件的设计开发。该软件支持工业界标准的开发流程,可实现从RTL综合到配置数据流生成下载的全套操作。

  高云半导体

  高云半导体成立于2014年,是一家专业从事国产现场可编程逻辑器件(FPGA)研发与产业化为核心,旨在推出具有核心自主知识产权的民族品牌FPGA芯片,提供集设计软件、IP核、参考设计、开发板、定制服务等一体化完整解决方案的高科技企业。

  目前该公司研发团队有100余人,在硅谷、上海、济南建立了研发中心。公司的技术骨干均有国际著名FPGA公司15年以上的工作经验,参与了数代FPGA芯片的硬件开发、相关EDA软件开发、软硬件的测试流程,积累了丰富的技术和管理经验。团队磨合后,于2015年一季度量产出国内第一块产业化的55nm工艺400万门的中密度FPGA芯片,并开放开发软件下载。2016年第一季度又顺利推出国内首颗55nm嵌入式Flash SRAM的非易失性FPGA芯片。

  比如说其CEO朱璟辉1996年美国加州大学洛杉机分校获硕士学位,拥有20余年的FPGA产品开发经验。曾在美国Lattice公司任职15年,历经7代FPGA研发,获11项美国专利,15项中国专利。他主要领导公司战略方向及产品开发。

  其CTO宋宁博士于2009年美国波特兰州立大学电子与计算机工程获博士学位,拥有25余年EDA软件开发、团队管理经验。创立高云之前,曾在美国Candance, Lattice等公司任职10余年。他主要领导公司EDA工具开发。

  该公司目前主要聚焦在中低密度的FPGA市场,面向通讯、LED显示、工业控制、汽车电子、消费电子、医疗和数据中心等领域推动了晨曦和小蜜蜂两个家族4个系列11颗芯片的量产,产品也获得了不错的成绩。据高云公布的信息,截止到2019年1月份,他们的芯片出货量突破了1000万片。

  其中晨曦家族产品具有高性能、低功耗、内部资源丰富等特点,主要面向通信和工业领域。GW2A系列FPGA产品是高云半导体晨熙家族第一代产品,内部资源丰富,具有高性能的DSP资源,高速LVDS接口,以及丰富的BSRAM存储器资源,这些内嵌的资源搭配精简的 FPGA架构以及55nm工艺使GW2A系列FPGA产品适用于高速低成本的应用场合。

  小蜜蜂家族则是高云半导体针对消费类市场推出的产品。GW1N系列FPGA产品是高云半导体小蜜蜂(LittleBee)家族第一代产品,具有低功耗、瞬时启动、低成本、非易失性、高安全性、封装类型丰富、使用方便灵活等特点。

  GW1NR系列FPGA产品则是一款系统级封装芯片,在GW1N基础上集成了丰富容量的SDRAM存储芯片,同时具有低功耗、瞬时启动、低成本、非易失性、高安全性、封装类型丰富、使用方便灵活等特点。

  GW1NS系列包括SoC FPGA产品(封装前带“C”的器件)和非SoC FPGA产品(封装前不带“C”的器件)。SoC FPGA内嵌Arm Cortex-M3硬核处理器,而非SoC FPGA内部没有Arm Cortex-M3硬核处理器。此外,GW1NS系列FPGA产品内嵌USB2.0 PHY、用户闪存以及 ADC转换器。以Arm Cortex-M3硬核处理器为核心,具备了实现系统功能所需要的最小内存;内嵌的FPGA逻辑模块单元方便灵活,可实现多种外设控制功能,能提供出色的计算功能和异常系统响应中断,具有高性能、低功耗、管脚数量少、使用灵活、瞬时启动、低成本、非易失性、高安全性、封装类型丰富等特点。GW1NS系列SoC FPGA产品实现了可编程逻辑器件和嵌入式处理器的无缝连接,兼容多种外围器件标准,可大幅降低用户成本,可广泛应用于工业控制、通信、物联网、伺服驱动、消费等多个领域。

  在今年7月初,高云半导体宣布推出了其安全FPGA系列产品,针对端点应用,可实现内置的安全加密功能以消除安全攻击和边缘计算中的漏洞。据悉,其安全FPGA系列产品使用物理不可克隆功能(PUF)在FPGA上建立信任根。配置完成后,设备可以创建用于加密/解密和身份验证功能的唯一密钥。用户可以非常方便的实现安全启动,安全下载和密钥交换等标准例程。不过,其安全FPGA 2K LUT版本要到2019年第三季度才能提供样品,安全FPGA 4K LUT版本在需要等到2019年第四季度。

  其配套的开发软件为高云云源软件。

  安路科技

  上海安路信息科技有限公司(简称:安路科技)成立于2011年,总部位于浦东新区张江高科技园区。该公司专注于为客户提供高性价比的可编程逻辑器件(FPGA)、可编程系统级芯片、定制化嵌入式eFPGA IP、及相关软件设计工具和创新系统解决方案。

  安路科技在今年6月份完成了D轮融资,在此轮融资中,老股东华大半导体、中信资本和公司创始团队行使了优先认购权,引入的新股东为“国家集成电路产业投资基金股份有限公司”(以下简称“大基金”)、“深圳市创新投资集团有限公司”、“苏州厚载成长投资管理合伙企业(有限合伙)”。

  据悉,本轮融资将用于28nm(及12nm)千万门级、五千万门级FPGA、soc FPGA的研发,新产品将主要应用于通信、工控、显示、消费电子以及人工智能领域,为全球半导体公司提供高性能、低成本、高可靠性的优质FPGA。

  在此之前,安路科技已经获得了中信资本、杭州士兰微集团和深圳创维集团、中国电子信息产业集团华大半导体有限公司和上海科技创业投资有限公司的战略投资。

  按照安路科技目前的产品规划,有高端的Phoenix(凤凰)、中端的Eagle(猎鹰)和低端的ELF(小精灵)三个系列产品。

  据安路科技副总经理梁成志透露,目前安路科技每个月的出货量为上百万颗,其中最多的是ELF系列产品。

  中端的Eagle系列产品是其最先推出的产品,主要应用在工业控制、通信接入、显示驱动等领域。

  目前阶段,对国内FPGA厂商来说,最重要的还是替代,因此安路科技现在走的是管脚兼容路线。其最近开始量产的ELF3L40和ELF3L90就可以跟Lattice的MachXO2-4000HC和MachXO3LF-6900管脚兼容。

  据介绍,ELF3系列FPGA采用低功耗55nm工艺设计、片内集成配置Flash、无需外接配置芯片、使用了其自主专利LUT4/5混合逻辑架构、最大容量型号EF3L90具有9K等效逻辑单元、336个用户IO、270Kbits BRAM容量、16个DSP、1Gbps高速LVDS接口,支持多重启动功能等功能。

  相比上一代ELF2芯片,全新的ELF3器件提供更大容量的器件和更多封装选择,适用于为显示控制和电机控制应用提供更多FPGA逻辑资源,为通信接口、服务器和存储应用提供更多I/O资源,同时针对通信应用需要的多种加载模式和启动控制功能进行全面升级,大大方便用户设计导入和替换需求。为了方便客户对ELF3器件进行设计评估,安路科技同时推出了简单易用ELF3 MINI的开发板,支持各类常用的功能扩展接口和应用参考设计。

  至于高端的Phoenix系列,则要等到年底才会推出,产品型号为PH5-100K,该产品将会采用28nm工艺制造。

  在配套软件方面,安路科技有软件开发工具Tang Dynasty(DT4.5)。据安路科技介绍,该款软件是安路科技自主开发的从HDL描述到最终位流下载和片上调试的完整系统,为安路科技所有FPGA芯片产品系列提供简洁可靠的应用设计开发环境。

  TD软件系统采用基于统一数据库的层次化设计,核心优化引擎采用创新的设计自动化技术,主体流程是性能驱动的逐步精确迭代优化进程。TD软件系统支持工业界标准的设计输入描述,提供良好的第三方设计验证工具接口。

  TD软件能够帮助客户实现HDL2BIT流程、用户约束、IP生产、时序分析、下载位流和设计调试等主要功能。

  此外,该软件可以同时支持Windows和Linux系统,大小只有100M左右。

  智多晶

  西安智多晶微电子有限公司,成立于2012年,总部位于西安,在北京设立有EDA软件研究中心。创始团队拥有三十多年丰富的FPGA设计制造经验,曾就职于海外该领域领先企业,并担任多个专业方向技术带头人。核心团队来自于国内各知名院校和优秀的FPGA研发团队。

  公司专注可编程逻辑电路器件技术的研发,并为系统制造商提供高集成度、高性价比的可编程逻辑器件、可编程逻辑器件IP核、相关软件设计工具以及系统解决方案。目前该公司的产品在LED驱动、视频监控、图像处理、工业控制、4G/5G通信网络、数据中心等领域有应用。

  据悉,该公司目前已实现55nm、40nm工艺中密度FPGA的量产,并针对性推出了内嵌Flash、SDRAM等集成化方案产品,截至2018年已批量发货2百万片。

  该公司目前有3个系列的产品,Seagull 1000、Sealion 2000和Seal 5000。

  Seagull 1000采用了其自主架构和0.162微米的低功耗工艺,属于CPLD产品,可提供64~256宏单元阵列;最大频率为322MHz,由于3.5ns快速输入输出引脚延迟;核心操作电源为3.3V和1.8V,使用符合IEEE 1532接口的3.3V/1.8V 在系统可编程(In-System Programmable,ISP);具有多功能可编程输入输出接口 ,支持3.3V, 2.5V or 1.8V I/O电源。

  Sealion 2000系列FPGA采用的是55nm低功耗技术工艺,可提供4K到25K的LUT单元,单一封装集成了2M×32 bit Synchronous DRAM(SDRAM);内置2个锁相环(PLL)和2个延时锁相环(DLL),提供倍频、分频、相位转移等系统时钟功能;通用输入输出端口,支持800Mbps LVDS。

  芯片性能能够与Spartan-6/Cyclone-4系列的FPGA芯片相匹配。

  Seal 5000 FPGA应该还是处于研发阶段,据其官网介绍该芯片同样采用正向设计,将会采用28nm工艺,提供20K到200K的LUT单元;具有嵌入式高速双接口存储器(dual port SRAM/FIFO Block)(真双端/伪双端);具有高速串行并行接口(SERDES),支持常用的数据协议,包括PCI Express、千兆以太网(GbE, SGMII)、XAUI、SRIO、CPRI、 OBSAI、SD-SDI和HD-SDI;支持商业于工业温度等级。芯片性能与Virtex-7系列的FPGA芯片相当。

  智多晶的芯片软件设计流程和ISE/Quartus II/Diamond 类似,包括综合、约束、布局布线、下载编程等。智多晶的芯片架构可以接受ISE和Quartus II的代码,使用自主研发的FPGA开发软件“HqFpga”, 完成综合、布局布线、时序分析、配置编程和片内逻辑分析。

  总结

  目前国内FPGA厂商有不少,不过同国际领先厂商相比,国产FPGA产品不论从产品性能、功耗、功能上都有较大差距。

  这主要与资金、专利、人才,以及生态环境等密不可分。特别是人才,国际领先FPGA公司中,这些年来,基本上就只有Lattice在中国设立过研发中心,因此,我们可以看到国内这些FPGA创业公司很多都有Lattice的背景。

  当然,最后也希望能在目前大家都重视国产芯片,市场对芯片需求量也在增加的时候,国产FPGA厂商能够抓住这波市场增量需求,逐步发展壮大。