跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起

​芯东西(ID:aichip001)
编 | 心缘

5月底,《日经亚洲评论》援引业内人士透露,华为已储备2年的美国关键芯片,尤其希望多储备对5G基站至关重要的进口FPGA(现场可编程门阵列)。

顶着“万能芯片”美誉的FPGA,在2020年开篇刷足了存在感,不仅是各大救命呼吸机的核心组件,也是5G、AI、大数据中心等热门新基建项目的一个关键动力源泉。

据市场研究机构MRFR统计,2019年全球FPGA市场规模约为69亿美元,预计到2025年市场规模有望达到125亿美元。

一方面,我国5G新基建蒸蒸日上,推动FPGA市场需求走高;另一方面,美国竖起的技术铁幕,迫使国产FPGA力量加速成长。

时代使然的多重因素交汇于同一赛道,在半导体自主替代的大潮中,“可用”已经难以满足市场对FPGA的需求,如不想被上游来自国外的枷锁困住手脚,国产玩家必须具备敢与世界一流竞争对手扳手腕的雄心,以及扛住压力攻关先进技术的恒心。

在这场背负着振兴国产FPGA的竞赛中,我们现有实力距离国际先进水平还有多远?细数国内FPGA八大主要玩家,谁又最有希望冲在前列?

一、三十五载风雨路,两大美国寡头垄断FPGA江湖

上世纪80年代,Ross Freeman一个激进的设想——让芯片像一张白布,工程师可通过重新编程在其上添加功能,使其能适应不断变化的标准和规格。

Freeman于1948年出生于密歇根州,21岁本科毕业于密歇根州立大学物理学,23年获伊利诺伊大学硕士学位,30多岁时在Zilog的Components部门任工程总监。

在周边人眼中,Freeman的创新想法多少有些怪异。

那个时代,晶体管价值珍贵到堪比黄金,但Freeman的这一设想需要往一颗芯片上塞大量昂贵的晶体管,似乎与当时的芯片主流观念背道而驰。

其团队核心成员之一、后来成为赛灵思第八号雇员的Bill Carter曾回忆道:“当他描述完FPGA的概念之后,我第一个念头就是,疯了!这是史上对晶体管最不靠谱的浪费。”

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲Ross Freeman

不过,外部的质疑并没有将Freeman的创新想法扼杀于摇篮,怀揣着对摩尔定律的信仰,他说服了自己当时的领头上司——Zilog副总裁兼微处理器部总经理Bernard Vonderschmitt,共同创立全新的公司赛灵思(Xilinx)。

1985年,赛灵思推出全球第一款FPGA产品XC2064。当时这个仅有不到1000个逻辑门数的创新可编程芯片,因为尚不明晰的商业落地前景,并没得到业界主流的重视。

但正如Freeman所预料的,晶体管成本随着时间的推移稳步下降,这使得FPGA逐渐成为广泛应用中定制芯片的经济又灵活的替代品。

正是从此开始,一个全新半导体帝国逐渐崛起,历经35年风雨飘摇,正向一个百亿美元市场发起冲刺,赛灵思更是连年主宰这一市场的半壁江山。

从消费电子、工业控制、医疗成像、航空航天、通信到汽车,FPGA在多类市场展现出不可或缺的应用价值。

1989年9月26日,美国公布了一项由赛灵思申请的新专利——“由可配置的逻辑元器件及互联组成的可配置电路”,这是FPGA发展进程中具有里程碑意义的一个节点。遗憾的是,专利公布后不到1个月,FPGA之父Ross Freeman因长年慢性病的折磨而与世长辞。

一代半导体巨擘离去,但FPGA巨轮还在加速驶向前方。

过去35年间,FPGA市场风云变幻。根据公开报道,全球有60多家公司先后斥资数十亿美元踏入FPGA领域,其中不乏英特尔IBM德州仪器东芝三星等芯片巨头,然而多数公司最终铩羽而归。

实力强大如英特尔,最终也没选择从零起步,而是在2015年花费167亿美元巨资收购当时的全球第二大FPGA制造商Altera,这才顺利跻身FPGA市场。

二、收购国际FPGA公司受阻,国产替代依赖国内玩家

2015年左右,全球FPGA市场已呈现高度集中的“两大两小”市场格局,“两大”指的是赛灵思和Altera,“两小”指的是莱迪斯(Lattice)和美高森美(Microsemi)。

电子产业素来老大吃肉、老二喝汤,到老三捡到的肉渣也就够塞牙缝了。光是“两大”FPGA寡头就占据了近90%的FPGA市场份额,而中国厂商所占份额估计不足4%。

莱迪斯是最早进入我国的FPGA供应商,不过先一步占领市场并未带给莱迪斯先发优势,到90年代下半年,随着赛灵思和Altera陆续将视线移向中国,莱迪斯的市场被逐步蚕食。

从90年代起,中国学术界亦开始探索FPGA技术,复旦大学中科院均为重要力量。到2010年后,安路科技、西安智多晶、紫光同创、广东高云等我国知名FPGA企业先后成立。

在探索FPGA的历程中,我国逐渐从反向设计阶段走向正向设计,国内对FPGA的应用需求也在增长。但时至今日,国产厂商在全球FPGA代表玩家中依然排不上号。

2016年11月,由中资支持的私募基金Canyon Bridge Capital Partners试图以13亿美元收购莱迪斯,然而一年后,这一交易被美国海外投资委员会(CFIUS)以担忧国家安全为由叫停。

多家涉及海外并购交易的科技公司对CFIUS这只“拦路虎”都不陌生。此前日本富士通收购仙童半导体被否决、紫光收购存储芯片巨头美光受阻、福建宏芯基金收购德国半导体设备制造商爱思强被中断等都是CFIUS的“功劳”。

莱迪思并购案告吹,意味着中国无法走海外并购主流公司的捷径来实现FPGA自主可控,发展国产FPGA企业是眼下最为可行也是必行之径。

无论是传统的航空航天、通信、工业、消费电子等应用,还是新兴的AI、5G通信、工业互联网、自动驾驶、云计算、边缘计算、物联网市场,对FPGA的需求均在持续走高。

据市场研究机构MRFR统计,全球FPGA市场规模在2013年约为45.62亿美元,去年达到约69亿美元,到2022年有望突破100亿大关。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲2013-2025年FPGA市场规模增长情况(来源:天风证券)

理论上,如果门电路的规模足够大,FPGA通过编程能实现任意芯片的逻辑功能,它也因故有“万能芯片”之称。

相比CPU、GPU等通用芯片,FPGA并行计算效率更高、计算速度更快,功耗和延时更低。

相比被固化不能修改的专用芯片(ASIC),FPGA因其可根据不同场景重新编程的特点,有灵活性高、开发周期短、小批量成本低的优势,能更快的应用市场需求变化。

这使得FPGA在需求快速变化的应用领域成为独一无二的存在,也是我国国产FPGA供应商必须攻下的堡垒。

无论是方兴未艾的5G基站建设,还是走向异构计算的云边端AI加速,只要5G标准仍在变化,AI算法和物联网需求尚未定型,FPGA都将扮演相当重要的角色。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲4G基站与5G基站所需芯片价值量对比 (来源:天风证券)

FPGA在多个市场的重要性与日俱增,再加上美国在该领域拥有绝对垄断优势,致使FPGA已成为其制约他国贸易的有效工具之一。

随着美国进一步升级其出口管制措施,越来越多国内厂商意识到,抵御技术孤立主义的最有利武器,唯有自强不息。

三、扛起国产替代大旗!八大国内FPGA玩家

近年来,除了在军工领域摸爬滚打外,国内FPGA企业已将其自研产品应用于通信、工业、军工航天、消费电子的部分领域,并开始向数据中心、智能终端等应用延展。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲中国FPGA产业市场分布情况(图源:安路科技)

当前我国主流的国产FPGA产品多采用55nm及40nm制程工艺,最先进FPGA制程尚在28nm,与已达到7nm的国际先进水准尚有不小距离。

但乐观来看,我国FPGA玩家已开始加速奔跑,一方面追赶高端FPGA,另一方面在部分民用中低端市场已具备替代国际FPGA产品的实力。

这里我们重点列数八家有望冲刺民用市场中高端FPGA产品的国产FPGA厂商,包括1家北京企业、3家上海企业、1家广州企业、1家深圳企业、1家西安企业和1家成都企业。

以下排名按成立时间倒序:

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲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。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起

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。

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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参股子公司,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。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲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。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起

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。

四、走向高端FPGA,国内产业还需多少努力?

可以看到,尽管我国FPGA企业正在发力中,但客观上,现有国产FPGA的性能实力和市场占有率均与国际先进水平存在明显差距。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起▲国产FPGA技术水平差距(图源:安路科技)

面对强大且分工明确的国际FPGA格局,技术和市场突围都绝非易事。要缩短这些差距,显然不能只靠埋头研发。

首先,高端FPGA必须攻克。毕竟美企垄断了绝大多数FPGA专利和市场,日本、韩国以及欧洲各国又都没有先进的FPGA公司,万一美国再下狠手升级出口管制措施,我国通信业的建设很难避开高端FPGA缺货的影响。

而要推进技术研发至少需抓住亮点,一是采用更先进的制程工艺,二是研发创新架构。

制程工艺技术越先进,同等芯片面积包含的晶体管数量越高,可以大幅提升性能和降低功耗,因而国际FPGA头部厂商已开始采用最先进制程工艺。

但制程工艺越先进,也意味着研发生产成本越来越高,导致先进FPGA研发颇有“曲高和寡”的意味。

当前最先进的国产FPGA还基于28nm工艺,流片成本已经达到近千万人民币,而留给国产FPGA的市场份额非常少,如果砸钱攻关更先进制程节点,不能回本的风险很大。因此政府以及更多资本的支持也尤为必要。

另外从赛灵思和英特尔Altera两家寡头近年在FPGA领域的布局上,我们可以看到先进FPGA已不再单纯依靠制程迭代来达到新的性能目标,未来FPGA进化更多需要依靠芯片架构的创新。巨头在产品和市场布局上的一些新动向,也为我国FPGA发展方向提供了一定的借鉴价值。

除了改良硬件性能外,配套软件工具的优化同样不容忽视。

FPGA之所以偏“小众”,一个关键原因就是编程技术门槛高。FPGA需软硬件紧密配合才能真正发挥其性能,其编程采用的verilog或VHDL硬件描述语言本身有难度,在加上编程设计时需考虑应用场景的多样性、复杂性和效率,编译难度令不少工程师头疼。

国际主流企业的软件开发工程师配比已达到50%,而且赛灵思、英特尔Altera都在着力通过软件优化持续降低FPGA开发门槛。

比如赛灵思去年推出统一软件平台Vitis,让软件开发者也能高效开发硬件;英特尔则亮出面向异构计算的大招,其oneAPI让开发者可以跨CPU、GPU、FPGA、ASIC等多种架构进行产品开发。

跨越35年的中美技术追击!中国FPGA八大金刚崛起

▲赛灵思统一软件平台Vitis面向软件开发者

而国内企业普遍软件开发工程师配比偏低,配套软件和工具也相对缺乏,对上游的EDA等软件工具以及IP核心依赖程度较高。实现自主替代、提升国内FPGA产业竞争力,显然也离不开国内生态上下游的共同努力,离不开从EDA与IP核、芯片到应用的完整生态的构建。

一些国内FPGA玩家已在为完善国产FPGA开发生态环境做出努力。例如近日,紫光同创联合国内FPGA方案提供商芯驿电子(ALINX)共同推出国产入门级FPGA开发套件,开发板加下载器套餐价格低至470元,为初学者及高校学生、研究院所提供了更加低成本的FPGA开发平台。

还有一个掣肘国内FPGA生态发展的关键要素——教育资源和人才的缺乏。有第三方数据统计,美国FPGA工程师有三四十万,而中国FPGA工程师仅有两三万,约为美国的1/10

一方面,硬件描述语言编程难度大、教育资源相对稀缺、开发成本高等壁垒,将许多开发者拒在FPGA的门外。另一方面,优秀的FPGA人才通常会集中在顶级FPGA企业,国产FPGA势力暂时在招揽高端人才上不占优势。

现有高端人才可以通过优化国内创新创业环境来招揽,但人才缺口的贴补必须通过教育。

由于技术差距已经明显,短期内很难跟上,找准市场定位、制定切实可行的产品路线可能对一个企业能否长存更为重要。

结语

国产FPGA产业的漫漫突围路只是中国集成电路产业进化的一个缩影,在动荡的地缘冲突背景下,关键芯片自主可控已成为保持我国信息技术发展速度以及守卫国格的必然选择。

但真正实现全产业链的自主可控绝不可能只靠一个华为海思,需要更多国产芯片厂商未雨绸缪,打造更多可替代国际产品的自主研发芯片。

追赶国际先进芯片水平的道路依然艰辛漫长,但有些事不是因为看到了希望所以坚持,而是咬牙坚持到最后,终见曙光。

我们期待未来国内厂商能交出令人惊喜的答卷,也应给予负重前行的半导体从业者们足够的敬意与包容。