年度爆火的國產(chǎn) FPGA 芯片

PGA 市場仍由美國三大巨頭 Xilinx（被 AMD 收購）、Altera（被 Intel 收購）、Lattice 主導(dǎo)，占據(jù)八成以上的份額。

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

FPGA，漲價

近日，Altera 宣布為應(yīng)對市場壓力和運營成本上漲，將對部分 FPGA 產(chǎn)品系列價格進行調(diào)整，新價格將于 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)，并保持其強大的 FPGA 解決方案組合，以支持客戶需求。

調(diào)價產(chǎn)品系列包括：

• Cyclone 10 GX/LP、Cyclone V、Cyclone IV、MAX 10 和 MAX V 系列價格上調(diào) 7%;

• Stratix V、Stratix IV、Stratix III、Arria V、Arria II、Cyclone III、Cyclone II、MAX II 和 EPCQ-A 系列價格上調(diào) 20%。

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

FPGA 芯片缺口，逐步擴大

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)字信號處理芯片 DSP 等）、存儲器芯片（Memory）、專用集成電路芯片（ASIC）和現(xiàn)場可編程邏輯陣列芯片。

與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA 芯片的最大特點是現(xiàn)場可編程性。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，用戶無法對其硬件功能進行任何修改。而 FPGA 芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)自己的實際需要，將自己設(shè)計的電路通過 FPGA 芯片公司提供的專用 EDA（電子設(shè)計自動化）軟件對 FPGA 芯片進行功能配置，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 芯片均可以進行多次不同功能配置，從而實現(xiàn)不同的功能。

據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測，預(yù)計 2025 年全球 FPGA 市場規(guī)模將超過 125 億美元，國內(nèi)市場規(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。在 5G 市場，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 5G 基站密度大概是 4G 基站的 1.5 倍。因此，5G 時代，基站對于 FPGA 的需求量大概就是 4G 時代的 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 才能夠有價值。但在邊緣 AI 領(lǐng)域，大部分市場都達(dá)不到這個芯片用量。這部分需求基本都轉(zhuǎn)向了 FPGA，通過對 FPGA 編程，F(xiàn)PGA 能夠執(zhí)行 ASIC 可執(zhí)行的任何邏輯功能，并且無需等待三個月至一年的芯片流片周期。

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

當(dāng)前 FPGA 市場的現(xiàn)狀就是如此，市場空間增速迅猛，然而主要掌握在幾家主要國際 FPGA 芯片公司手中，如今漲價消息的傳出對于國內(nèi) FPGA 市場來說，或為壓力也或為機遇。

壓力在于，價格上漲對用到 FPGA 的客戶來說成本會大大提高，并且需要提防進口產(chǎn)品繼續(xù)漲價或者缺貨的可能性，需要盡快做好備貨準(zhǔn)備。

機遇在于，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 FPGA 產(chǎn)品進行漲價，國內(nèi)公司對于 FPGA 芯片的多元化供應(yīng)也產(chǎn)生了強烈訴求。這種現(xiàn)狀恰恰為中國 FPGA 的自主研發(fā)賦予了強大的內(nèi)在驅(qū)動力，并開辟了廣闊的市場空間。

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

國產(chǎn) FPGA 產(chǎn)品力如何？

目前，主流的國內(nèi) FPGA 廠商已從跟蹤研仿國外 FPGA 芯片轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)建自主定義、自主架構(gòu)、自主軟件的國產(chǎn) FPGA 生態(tài)體系，且該體系已初見雛形。未來幾年中國的 FPGA 企業(yè)預(yù)計會從目前的 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)路線都會有各自的特點，形成差異化競爭。當(dāng)前主流的幾家 FPGA 產(chǎn)品線都有些什么特色呢？

目前，國產(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)時紫光國微主攻做國產(chǎn)化，另外專門拉了一個團隊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，要進移動通信。經(jīng)過十多年的努力，紫光同創(chuàng)成為國內(nèi)供貨量最大的 FPGA 廠商，同時在產(chǎn)業(yè) FPGA 領(lǐng)域，不管是在技術(shù)、產(chǎn)品成熟度、市場規(guī)模，還是商業(yè)化程度上，紫光同創(chuàng)都是國內(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。其中Titan-2 系列采用先進成熟工藝，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 系列具有高性價比的特點。Logos 系列 FPGA 采用先進成熟工藝和全新 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，為客戶提供高性價比的解決方案，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、消費類等領(lǐng)域，是客戶大批量、成本敏感型項目的理想選擇。

CPLD 產(chǎn)品具有低功耗、低成本的特點。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)計要求，適用于系統(tǒng)配置、接口擴展和橋接、板級電源管理、上電時序管理、傳感器融合等應(yīng)用需求，廣泛應(yīng)用于通信、消費電子、無人機、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 兩個產(chǎn)品型號。

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。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分 IO 等資源，強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。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分 IO 等資源，強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，即時啟動，無需要外部 Flash，支持 OTP 模式，55nm 工藝，部分產(chǎn)品型號內(nèi)嵌硬核 MCU。

2024 年上半年，安路科技新一代現(xiàn)場可編程陣列芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目實現(xiàn)了多款 PHOENIX 系列新產(chǎn)品規(guī)格開發(fā)，進一步豐富 28nm 工藝平臺產(chǎn)品矩陣，基于先進工藝的高容量高性能 FPGA 芯片正在支持用戶設(shè)計導(dǎo)入；現(xiàn)場可編程系統(tǒng)級芯片研發(fā)項目完成了低功耗 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)展與科技儲備基金項目實現(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 年國內(nèi)首家推出億門級 FPGA 產(chǎn)品后，持續(xù)不斷地推進該產(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)用場景也在擴大，并已經(jīng)形成千萬門級 FPGA 芯片、億門級 FPGA 芯片、十億門級 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，并積極推動新一代 FPGA 和 PSoC 產(chǎn)品的產(chǎn)品化工作，未來將結(jié)合先進封裝技術(shù)，在新一代 FPGA 平臺上進一步豐富譜系，持續(xù)推出更具競爭力的 FPGA、PSoC 以及 FPAI 產(chǎn)品。

總的來看，目前，國內(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，主要特點是低成本和低功耗，集中在 55nm、40nm 和 28nm 這三個制程節(jié)點。大部分國產(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，國內(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)、汽車和國防領(lǐng)域。而 500K 以上的高容量 FPGA 仍是目前國產(chǎn)化的難點。

國產(chǎn) FPGA 廠商的差距與機遇

28nm 生命周期比以往代際更長，國產(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，隨后是量價齊跌的市場。因此，市場玩家必須努力競逐制程領(lǐng)先，因為制程落后廠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，國內(nèi)廠商制程在 28-90nm 的產(chǎn)品為主，這無疑給予了國產(chǎn)廠商更寬廣的發(fā)展空間。

中國大陸FPGA 市場以容量<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，是國內(nèi)的 46 倍。雖然在容量上，國產(chǎn)廠商與國際廠商還存在較大差距，但是從中國的市場需求來看，本土 FPGA 市場目前以容量<500K 產(chǎn)品為主，而這一市場也是當(dāng)下國產(chǎn)廠商所擅長的。

沖高端，也是國產(chǎn)廠商的機遇之一。雖然低端 FPGA 市場規(guī)模最大，但是進入壁壘相對較低，在位企業(yè)難以產(chǎn)生壟斷性的優(yōu)勢。此外，隨著未來 10 年 FPGA 向 16nm 及更先進節(jié)點遷移，目前 FPGA 本土廠商需要考慮的是在更先進節(jié)點占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。因此，高端 FPGA 是本土廠商想要快速成長所必須進入的市場。目前也可以看到廠商們?yōu)榇俗龀龅呐εc投入。目前，國產(chǎn) FPGA 的最先進制程達(dá)到 14/16nm。例如，2019 年紫光國微官網(wǎng)新聞曾顯示，紫光同創(chuàng)已啟動高端 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 FPGA 產(chǎn)品完成了小批量試制并進行了用戶試用，且實現(xiàn)了小規(guī)模銷售。

從市場角度來看，數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域，市場空間也極為廣闊。從下游應(yīng)用看，目前最高端的 FPGA 兩大領(lǐng)域——原型驗證、數(shù)據(jù)中心加速計算，國產(chǎn)廠商進入難度較大。近日，安路科技在回答投資者問時表示，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)用于運算加速領(lǐng)域。

與此同時，與 CPU、GPU、ASIC 等產(chǎn)品相比，F(xiàn)PGA 芯片具備較高的利潤率。中低密度百萬門級、千萬門級的 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)，其利潤率接近 50%；而高密度億門級 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)的利潤率則將近 70%。研發(fā)并制造更為高端的 FPGA 產(chǎn)品，有助于提升國產(chǎn) FPGA 公司整體的收入表現(xiàn)。