FPGA 国内厂商 VS 国外厂商

ittbank 2020-06-05


FPGA 是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA (Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路,它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构,让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片。广泛应用在原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。

Altera LUT4 架构

技术趋势:制程迭代驱动 33 年发展,平台型产品是未来


1985 年赛灵思发明 FPGA 以来,其容量提高了一万倍以上,速度提高了一百倍以上,价格和能耗缩小了一千倍以上。受到先进制程迭代的推动,FPGA 的架构不断更新。1985 年,Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 产品 XC2064,采用 2μm 工艺,包含 64 个逻辑模块和 85,000 个晶体管,门数量不超过 1000 个。对比 2016 年赛灵思发布的 VIRTEX UltraScale,16nm 制程,系统逻辑单元最高达378 万个。FPGA 制程迭代在提高算力的同时降低了功耗,减小了芯片面积,推动了 FPGA 的性能提升。

未来,在技术趋势上,制程迭代+平台产品将是未来产品发展方向。我们仍然看好先进制程带给 FPGA 的性能提升,同时新的产品形态(平台型产品)的出现让FPGA 性能有了进一步提升的可能。Xilinx 和 Intel 相继发布 ACAP 和 Agilex 平台型产品,根据 Xilinx 披露的数据,新的平台型产品速度超过当前最高速的 FPGA 20倍、比目前最快的 CPU 快 100 倍,该平台面向数据中心、有线网络、5G 无线和汽车驾驶辅助应用。产品进展方面,2019 年 6 月 19 日 Versal AI Core 及 Versal Prime系列组件小规模出货,量产时间预计在 2019 下半年。

技术、专利、人才壁垒高,国产替代迎难而上


FPGA是一个技术壁垒高的行业,有人认为FPGA公司就是半个 IC 设计公司+半个软件公司,硬件结构复杂且良率低,软硬协同再提研发难度。FPGA 企业的硬件开发部分属于典型的 IC 设计企业,与一般 IC设计企业不同的是,由于 FPGA 硬件需要配套 EDA 软件一起使用,FPGA 公司通常需要自行研发适配自家硬件的 EDA 软件,因此也算半个 EDA 软件公司。由于FPGA 版图及布线复杂,硬件设计难度较大,加之软件和硬件协同开发,系统工程的难度再升级。

核心专利被头部公司垄断,国产厂商披荆斩棘艰难前行,专利有效期结束或带来转机。在专利上国外厂商目前占据绝对优势,Xilinx 和 Altera (Intel)在 FPGA 领域的专利数近 10,000 个,而国产厂商如紫光同创专利数仅约 200 项,相差悬殊。未来随着部分专利的有效期结束,及国产厂商在新专利上的突破,专利上的垄断格局或迎来转机。

半导体产业链国产化程度低,硬件自主可控进程难以阻挡,国产当自强。产业链角度来看,硬件产业链中目前自主可控程度较低,尤其在高端半导体设备和材料领域,未来产业链上下游国产替代进程的推进也将助力国产 FPGA 加速发展。

硬件部分上游:EDA+IP。硬件开发用的EDA仍是Cadence、Synopsys及 MentorGraphics,IP来源包括外部授权和内部开发。

硬件部分下游:代工厂+封测。其中代工厂国内厂商主要与台积电及中芯国际合作,封测主要和日月光等合作。

FPGA 硬件产业链



全球 63 亿美元市场,Xilinx 与 Intel双寡头



FPGA 是集成电路大产业中的小领域,5G 和 AI 为行业增长提供确定性,国产替代叠加行业增长,国产 FPGA 市场腾飞在即。根据 WSTS 的数据,2018 年全球集成电路市场规模达到 4,688 亿美元,同期全球 FPGA 市场规模约 63 亿美元,仅占集成电路市场约 1.34%。市场虽小,但未来受益于 5G 基础设施全球布局及 AI技术持续发展,FPGA 行业需求量增长具确定性。行业增长下,国产替代进程将进一步加速国产 FPGA 的增长。根据中国半导体行业协会的数据,2017 年国内FPGA 市场国产率低于 1%,随着技术突破,国产 FPGA 腾飞在即。


全球 FPGA 市场规模持续攀升,亚太是 FPGA 主要市场,未来产业发展可期。根据 Gartner 的数据,全球 FPGA 市场规模 2019 年达到 69 亿美元,2025 年达到 125亿美元,未来市场增速稳中有升。亚太区占比达到 42%,是 FPGA 主要市场,中国 FPGA 市场规模约 100 亿人民币,未来随着中国 5G 部署及 AI 技术发展,国内FPGA 规模有望进一步扩大。

全球 FPGA 市场规模

国外三巨头占据 90%全球市场,国产厂商暂时落后。FPGA 市场呈现双寡头垄断格局,Xilinx 和 Intel 分别占据全球市场 56%和 31%,在中国 FPGA 市场中,占比也高达 52%和 28%,由于技术、资金、人才上的壁垒及 FPGA 量产带来的规模经济,行业领导者地位较为稳定。

全球 FPGA 市场份额按公司分布


国产厂商目前在中国市场占比约 4%,未来随着国产厂商技术突破,FPGA 领域国产替代或将是百亿级的机会,替代空间广阔。

中国 FPGA 市场份额按公司分布

国产FPGA主要公司

1、京微齐力:二次创业,瞄准AI云边端
论成立时间,京微齐力是算是最晚的,2017年6月才成立。但论野心和经验,京微齐力丝毫不输于其他国产FPGA厂商。
京微齐力成立于2017年6月,定位是中国最优秀的国产FPGA及新一代异构可编程计算芯片的供应商。
其创始人兼CEO王海力本科毕业于国防科技大学计算机科学专业,硕士和博士毕业于清华大学计算机系EDA专业。
2015年年底,还在清华大学读博士的王海力加入一家新成立的中外合资FPGA公司雅格罗技,这家公司在北京市引导资金的支持下于2010年更名为“京微雅格”。
在国家及地方项目的支持下,京微雅格自主研发的从低规格到高规格的FPGA产品系列陆续量产。可惜时运不济,到2016年,前期开发产品市场推广受阻、项目资金迟迟未落实等多重原因,致使京微雅格运营陷入困境,上百名员工离职。
在征求原公司股东的同意后,包括王海力在内的公司仅剩8名坚守员工于2017年6月成立京微齐力,成立不到2个月便拿到了近700万元天使轮融资,次年1月又获得由海康基金领投的数千万元Pre-A轮融资。


人才方面,原公司核心技术团队是国内第一批正向设计FPGA芯片的成员,王海力将其中部分专家重新招入麾下,将团队发展到逾50人。
重整旗鼓的京微齐力,在获得京微雅格上百件专利和专有技术的授权及二次开发权后,不仅面向通信、工业、医疗等场景提供传统FPGA芯片,还瞄准云端服务器、消费类智能终端等新兴场景,研发新一代AI可编程芯片AiPGA、边缘异构芯片HPA、嵌入式可编程eFPGA三大系列产品。
截至2019年9月,公司已实现销售过千万元,超过上一年全年。除已量产的40nm FPGA芯片外,该公司也在发力中高端FPGA产品,开始研发新一代28nm/22nm FPGA产品。

2、上海遨格芯:从编译软件切入生态链
上海遨格芯微电子(AGM)成立时间比京微齐力早两年,为一家中低端、低密度FPGA的芯片提供商。
该公司由来自美国硅谷知名可编程逻辑芯片企业的团队和国内资深工程团队创办,以开发自主产权的编译软件开始,兼容切入现有FPGA软件的生态链。
在成立最初两年,没有背景的AGM团队挤在上海张江集电港的一个共创空间里,默默地打磨产品、给客户试用。
在看到智能手机风口后,AGM推出一款用于智能手机及物联网的FPGA芯片,并通过了三星公司严格的供应商测试认证,成为三星Galaxy手机除莱迪斯外唯一备选的FPGA器件,实现了国内FPGA公司出口零的突破。
经过近几年的产品迭代及市场扩展,AGM逐渐积累起较稳定的客户,并形成面向CPLD、FPGA、FPGA+CPU、SoC等方向的多个产品线,产品覆盖消费电子、工业、通信、AI计算等市场,成为国内FPGA领域表现亮眼的一匹“黑马”。

3、广东高云:首款28nm中高密度FPGA
相较AGM,广东高云半导体在国内FPGA的知名度或许相对更高。
其CEO朱璟辉和SVP宋宁都曾在莱迪斯工作。朱璟辉从清华大学毕业后,曾于1996年-2011年在莱迪斯任职,历经七代FPGA产品的研发;宋宁在莱迪斯、Cadence均曾任职高级工程师。
目前其研发团队逾百人,在硅谷、上海、济南均建立了研发中心,核心技术人员平均从事核心FPGA软件、硬件技术开发超过15年以上;其产品已经渗透到十多个行业中,在通信、工控、消费等领域得到应用。
自2014年成立以来,高云半导体坚持正向设计,先后推出晨熙、小蜜蜂两个家族、4个系列的FPGA产品,涵盖了11个型号、50多种封装的芯片、自主知识产权EDA开发软件并持续改进。
2015年一季度,该公司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;2018年,高云宣布研发成功国内首款28nm中高密度FPGA芯片GW3AT-100。
2019年,高云半导体迈出向新兴运算平台拓展的重要一步,实现异构SoC FPGA的产品化,推出各种支持Arm、RISC-V软/硬核的FPGA产品,在此基础上高云半导体研发了GoAI解决方案,性能较单独使用Cortex-M类微控制器提高了78倍以上。


4、深圳紫光同创:高性能FPGA已量产商用
安路科技、紫光同创和高云半导体曾被台媒称为“国内FPGA三架马车”。
紫光同创是紫光集团旗下紫光国微的子公司,成立于2013年,有十余年可编程逻辑器件研发经历,布局覆盖高中低端FPGA产品。
紫光同创具备大规模FPGA全流程开发设计能力,产品市场覆盖航天航空、通信网络、信息安全、AI、数据中心、工业物联网等领域。
早在2015年,紫光同创就成功推出国内第一款实现千万门级规模的全自主知识产权高性能FPGA芯片Titan系列,采用40nm工艺,可编程逻辑资源最高达18万个,已广泛应用于通信、信息安全等领域。
Titan系列高端FPGA产品PGT180H已向国内多家领先通信设备厂商批量供货,该型号产品去年全年销售额近1亿元。
今年3月,紫光同创推出Logos-2系列高性价比FPGA,采用28nm CMOS工艺,相较上一代40nm Logos系列FPGA性能提升50%,总功耗降低40%,可满足工业自动化、物联网、视频图像处理等应用需求,已量产发货。

5、西安智多晶:小米为第四大股东
去年9月,小米旗下长江小米产业基金以227.7万人民币投资智多晶,持股9.26%,成为智多晶第四大股东。
智多晶的创始人贾红也是清华学子,1982年考入清华大学核物理专业,1992年赴美读书,到2012年与几位志同道合的朋友一拍即合,回到陕北家乡发展最快的西安高新区创业,成立智多晶,随后还在北京设有EDA软件研究中心。
其创始团队拥有超过20年的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。
智多晶曾于2013年10月正向研发出首款拥有自主知识产权的可编智能FPGA芯片,据说是全球除四家美国公司之外,第五个跨过技术门槛的团队。

▲智多晶展位现场
目前智多晶已实现55nm、40nm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2KK片,2019年芯片销售额有望破1亿元。
智多晶现有产品Seagull 1000系列CPLD芯片、Sealion 2000系列FPGA芯片等已受到市场认可,2017年以来累计出货量逾一千万片。
其产品覆盖市场包括LED驱动、视频监控、图像处理、智能仪表、工业控制、4G/5G通信网络、数据中心等,已与富士通、诺瓦电子、海康威视等多家知名企业建立合作关系,并开始研发测试智能人脸识别芯片。
去年该公司已在积极筹划28nm FPGA芯片的研发落地。
此外,智多晶还于2017年并购了平台化FPGA软件解决方案的开创者——北京飘石科技,借此进一步完善软件布局。飘石科技成立于2007年,曾参与或独立完成10多个系列、近30款世界主流FPGA厂商及FPGA初创公司的FPGA器件的开发软件支持。

6、上海安路科技:28nm今年批量供应
2020年5月19日,在上海市科学技术奖励大会上,上海安路科技自主完成的“基于混合粒度逻辑结构的自主FPGA研发和产业化”项目荣获2019上海市科技进步奖三等奖。
安路科技成立于2011年,总部位于上海张江,2014年获中信资本投资,2015年获杭州士兰微和深圳创维集团联合投资,2017年获华大半导体和上海科技战略投资。
安路科技团队已从2019年初的120人扩张到逾200人,量产及在研产品覆盖高中低端,面向数据中心、AI、通信、工业控制、视频监控等领域。


此前安路科技量产的中等性能FPGA芯片成功进入LED显示屏控制卡市场和高清电视TCON控制卡市场,并计划与国内通信企业展开深度合作。
2019年,上海安路科技实现了业绩翻3倍的目标,进入主流通信市场,FPGA产品实现中小容量重点型号覆盖,可以替换大部分国外同类型号,同时安路的大容量器件也在全力研发中。
其FPGA从55/40nm进入主流28nm工艺平台,在器件性能和容量上也都有较大的提升,相应地对FPGA编译软件和IP也提高了要求,28nm器件预计在2020年批量供应。
供货方面,安路启用了国产供应链,大部分芯片设计、生产、封装、测试都在国内,供货周期优势明显。
在今年年初接受媒体采访时,安路科技总经理文余波提到公司在满足通信、工控需求外,少量芯片被放到消费电子市场,在报价等同于国际先进器件的情况下,客户也愿意优先使用安路的芯片,给出的原因是安路的器件性能好于国外竞品、质量更好。
另据公开报道,安路科技预计将在2020年实现一千万门级产品的量产,并将完成五千万门级产品的研发。

7、成都华微科技:出身国家“909”工程
成都华微科技是国家“909”工程集成电路设计公司和国家首批认证的集成电路设计企业,隶属于中国电子信息产业集团,于2000年3月注册。
该公司由华大集团、成都成电大学科技园、成都创新风投、成都华微员工团队四家股东共同投资创办,是位于成都的一家军民融合企业,专业涉及微电子、计算机、通信、电子信息、软件等相关领域。
其研发团队与大股东单位电子科技大学旗下大规模集成电路设计中心组成了联合攻关小组,建立了强有力的研究开发合作平台。
成都华微科技主要从事可编程逻辑器件、系统级芯片、存储器、AD/DA芯片、电源管理等器件开发,连续承担国家“十一五”、“十二五”、“十三五”FPGA重大专项,可编程逻辑器件、高速高精度ADC/DAC领域居于国内领先地位。
目前成都华微科技是中国电子信息产业集团的异构可编程片上系统的设计技术创新中心。

8、上海复旦微电子:超大规模亿门级FPGA
今年3月20日,上海复旦微电子发布辅导备案,辅导机构为中信建投,向科创板发起冲刺。
上海复旦微电子于1998年在复旦大学逸夫楼成立,曾于2000年在港交所上市,2019年拟于A股上市,今年3月更换辅导机构冲刺科创板。
该公司在FPGA领域有近20年的研究和发展,是国内为数不多自主研发FPGA的研究机构。
前期复旦微电子曾研制出的自主知识产权千万门级FPGA产品,突破了在传统集成电路设计基础上的高可靠性设计,经测试其高可靠性能处于国际领先地位。该系列产品已成功应用于我国卫星导航、载人航天等重大工程项目中。
在2018年5月第二届中国高校科技成果交易会上,复旦微电子发布新一代拥有自主知识产权的亿门级FPGA产品,填补了国内超大规模亿门级FPGA的空白,各类指标已达国际同类产品先进水平。


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