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作者 | 包永剛
出品 | 雷鋒網產業組
相比幾十億出貨量，市場規模千億美元的CPU和GPU，市場規模還未超百億美元的FPGA并非大眾關注的焦點。
不過，在提升國產芯片自主化率的大背景下，與CPU、GPU、DSP共稱為國產芯片“四大件”的FPGA對于真正實現芯片國產自主有著基礎性作用，已經有中國FPGA公司在設計環節打破了對國外公司的依賴，直接參與FPGA的全球競爭。
FPGA的獨特性，讓國產FPGA已經在中低端市場可以不被EDA卡脖子。未來五年，國產FPGA在高端市場有望深度突破。當然，軟硬件技術挑戰以及全球FPGA市場格局的變化都是國產FPGA實現高端和極高端市場突破的挑戰。
FPGA更容易實現國產替代
CPU、GPU、DSP、FPGA這四大類計算芯片中，FPGA更容易實現完全自主可控。這是因為，CPU、GPU、DSP可以歸類為ASIC芯片（專用集成電路），全球范圍內想要設計這三類芯片的公司難以擺脫EDA（電子設計自動化工具）三巨頭和美英IP公司的依賴。
與此不同，FPGA設計流程中用到EDA和IP需要芯片廠商向客戶提供，以適應客戶的要求。全球幾家市占率較高的幾家FPGA公司都是向客戶提供自家的EDA工具。這就意味著，FPGA的設計更容易擺脫國外EDA和IP公司的限制。
高云半導體總裁宋寧對雷鋒網表示：“目前，高云是在國產化進程中有實力提供自主研發的獨立完備FPGA應用設計體系（IC、IP、EDA融匯結合）的公司，打破并打通了FPGA設計中的關鍵依賴環節，直接參與FPGA領域的全球競爭 。”
宋寧曾在萊迪斯、Cadence任職，有多年FPGA領域的豐富經驗，他進一步表示：“國產化替代實現了FPGA應用領域設計流程中EDA和IP環節的全面自主技術產權化，等于建立起一套完整的國產自主的小型化集成電路芯片工業設計體系，為最終全面實現國產集成電路芯片工業（ASIC類的CPU， GPU， DSP等）的自主技術產權化奠定基礎。這就是FPGA實現國產自主更為明顯的價值體現。”
目前，國產FPGA芯片已經廣泛應用于消費電子領域，但主打中低端產品。FPGA芯片的重要性能指標之一是查找表（Look-Up-Table，LUT），LUT數量的多少與FPGA的性能呈正相關關系。
國產FPGA起步于消費電子市場，主打的是低端(<10K-LUT級別)和中端 (<100K-LUT級別) 的FPGA芯片，如今正快速涉及通信、汽車市場，主打產品將會從中端 (<100K-LUT級別) 推向高端(從100至500K-LUT級別) 的FPGA芯片。
邁向高端的過程對國內FPGA公司而言并非易事。
國產FPGA邁向高端的三大挑戰
全球FPGA市場最近幾年發生了重要的變化。自1984年賽靈思（Xilinx）發明FPGA以來，經過多年的整合兼并，FPGA市場呈現了賽靈思和Altera平分秋色，Lattice和Actel（2010年被MicroSemi收購）暗中搶占市場份額的格局。
2015年，intel以167億美元收購Altera打破了原有的FPGA市場格局。
有意思的是，去年10月，intel的競爭對手AMD也宣布將以350億美元收購賽靈思，預計交易將于2021年底完成。兩大FPGA芯片公司相繼被收購是AI、5G和云計算的技術發展趨勢下的行業整合，巨頭間的整合也改變著全球FPGA市場的格局。
“intel和AMD都是超級CPU公司，分別收購兩大FPGA公司的目的在于結合CPU的超強算力和FPGA超大規模I/O接口與并行計算能力打造下一代AI技術芯片。這必然會讓原來市占率最高的兩大FPGA公司不得不轉向專注結合高端CPU和AI的專業市場。”宋寧表示。
“就拓展市場占有率而言，兩筆收購對奪通用FPGA市場的國產FPGA廠家，包括中國公司，長遠來說應該是利好，因為兩大巨頭公司對通用FPGA市場的關注度會減弱。”
長遠利好的競爭格局下，國產FPGA向高端市場邁進的軟硬件挑戰依然巨大。高端(從100至500K-LUT級別) 和極高端（500K，乃至1M或nM-LUT以上）FPGA芯片，先進工藝非常重要。
賽靈思在28nm工藝節點的代工廠從聯華電子轉向臺積電后，開始領先于Altera。到了20nm，賽靈思進一步拉大與Altera的差距。之后，Altera被intel收購后轉向intel的14nm工藝，一定程度影響了其產品進展，而賽靈思則借臺積電的16nm工藝進一步擴大優勢。
2019年時，兩大巨頭公司相繼發布了全球“最大”FPGA。賽靈思在8月發布的全球最大容量的FPGA基于臺積電的16nm工藝，集成350億個晶體管、900萬個系統邏輯單元。三個月后，英特爾宣布推出全球容量最大的FPGA，采用14nm工藝制造，集成了443億個晶體管，在70×74毫米的封裝面積內擁有1020萬個邏輯單元。
國產FPGA想要在高端和極高端市場成功突破，自然也需要先進工藝制程的支撐，但國內晶圓代工廠與臺積電、三星這樣全球領先的晶圓代工廠仍有明顯的差距，這給國產高端FPGA實現完全自主可控帶來了挑戰。
除了制造方面的挑戰，宋寧還指出，與高端、極高端FPGA芯片相適應的FPGA EDA工具，包括傳統的前端RTL-VHDL/Verilog綜合工具，以及后端布局布線（Place&Rout）工具的自主研發與自主產權同樣是國產高端FPGA實現突圍的挑戰。
在制程和EDA工具提升的過程中，還會涉及到專利保護的問題。
”國產FPGA替代應立足全面主導消費電子市場的目標，以及深度切入通信和汽車市場競爭的方向，這三大FPGA傳統應用領域，仍將是FPGA替代機會最大的市場。”宋寧認為。
正在快速發展的5G和AI也是不容忽視的好機遇。
國產FPGA在5G和AI時代的大機會
根據Market Research Future（MRFR）的統計，2019年全球 FPGA 市場規模約為69億美元。MRFR預計，在5G和AI的推動下，2025年全球FPGA市場規模有望達到125億美元，年復合增長率為10.22%，其中亞太地區是重要的增量市場。
通信作為FPGA的重要應用市場，5G基站以及終端都對FPGA有巨大的需求。雷鋒網了解到，目前國產FPGA在5G領域最大的機會在用戶端消費電子領域，尤其在各式各樣的音、視頻轉換接口，以及各式各樣的通信協議轉換接口領域。究其原因還是FPGA芯片可編程，多I/O的特點非常適合各類轉換接口的設計。
至于AI，FPGA的機會在于與超強算力的CPU結合，在云端結合大數據進行分析和預測應用，例如人臉識別，聲紋識別，身份識別，行為識別等等。“中國擁有全球最大的超級數據庫以及與之相關聯的大數據類分析、預測的應用場景，所以，國產FPGA在AI領域機會巨大。”宋寧表示。
作為國產FPGA的代表之一，高云會如何抓住5G和AI的機會突破高端市場？
據介紹，高云半導體從一開始就致力建立獨立完備FPGA應用設計體系的高度，打造自行開發的FPGA應用設計EDA 工具，以及成體系的FPGA應用軟核IP庫，在市場需求的變化下，打造具備多樣內嵌功能塊硬核的低功耗，小型薄片化FPGA IC 產品。同時，推進高端產品的研發。
宋寧說：“高云在5G市場進行了六個方面的產品優化和布局，包括核心電壓低至0.95V的低功耗化，間距只有0.4mm的封裝小型化，將FPGA內核與多種存儲體內核組合的多樣化，將特定功能硬核接口內置FPGA的集成化，將MCU硬核內置FPGA的智能化，以及面向各種應用配備各類軟核IP的靈活化。”
“FPGA類型眾多，功能齊全是高云產品的優勢特點。這也是我們多年在產品規劃、布局的結果。”宋寧表示。
面向AI市場，高云在2020年推出了適用于AI邊緣計算的產品，利用高云的FPGA SoC內嵌MCU，提供快速反應、高效處理定制化數據，性價比高的FPGA，與巨頭的超強CPU與FPGA結合的策略形成差異。
在這個過程中，國產FPGA也可以從低端的消費類音頻FPGA市場，拓展到中低端工業控制、監控FPGA市場，最終邁向中高端的通信、汽車FPGA市場。
小結
多個市場研究機構預測，2021年到2026年中國FPGA市場規模有望占到全球FPGA市場規模的一半以上，中國將成為FPGA公司的必爭之地。不過，國外公司仍舊主導這一市場的競爭，在國產替代的背景下，包括高云在內的國內FPGA公司第一生存級別的競爭對手仍舊是國外公司。
國產FPGA的高端替代機遇與挑戰共存。宋寧預計，未來五年，國產FPGA有望在低端和中端市場市場上占主動地位，在高端市場有望深度突破，極高端市場仍任重道遠。
2018年，FPGA國產化率僅4%，5年后FPGA的國產化率值得期待。雷鋒網
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