FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物,它由輸入/輸出塊、可配置邏輯塊和可編程互聯三部分組成,同一片FPGA,不同的編程數據,可以產生不同的電路功能,因此FPGA的使用非常靈活。它可以應用在航空航天/國防、消費電子、工業、通信、數據中心、汽車、醫療、嵌入式視覺和測試測量等領域。

據MRFR統計2018年全球FPGA市場規模為60億美元左右,隨著AI+5G的應用逐步展開,其市場規模有望在2025年達到125億美元,年復合增長率為10.22%。其中在亞太地區,尤其是在中國,由于新興基礎建設應用的鋪開,FPGA的復合增長率有望高于其他地區,成為FPGA重要的增量市場。

圖1:2013年~2025年全球FPGA市場規模。(單位:百萬美元。數據來源:MRFR)

因此,對FPGA廠商來說,接下來幾年是一個重要的發展時期。除了被Intel收購的Altera屬于IDM外,其他FPGA廠商多以Fabless模式運營,目前最先進的是由Xilinx推出,臺積電(TSMC)制造的7nm工藝FPGA。

在市場份額方面,主要還是歐美廠商為主,其中Xilinx和Intel兩家合計占了市場的72%。國產FPGA雖然發展多年,但由于FPGA軟件開發難度大,需要先進的制造、封測工藝、IP多且雜,因此國產FPGA的發展存在嚴重滯后。?

不過近幾年來,我國加速了FPGA的國產化進程,無論是企業、政府,還是資本都在支持國產FPGA的發展;加上在AI、IoT、5G快速發展的推動下,我國將有龐大的FPGA增量市場。因此,國產FPGA廠商此時切入可以說是最佳時期。

以小博大,安路科技的生存之道

雖然國產FPGA在市場中的占比不多,但參與的廠商其實不少,比如上海安路信息科技有限公司(簡稱“安路科技”)就是其中之一。這兩年推出的ELF(精靈)系列產品頗受市場好評, 嚴格地說ELF系列產品還不算FPGA,應該是屬于CPLD產品。

圖2:上海安路信息科技有限公司副總經理梁成志

上海安路信息科技有限公司副總經理梁成志在接受<電子發燒友>的采訪時表示安路科技目前的產品規劃有高端Phoenix(鳳凰)、中端Eagle(獵鷹)和低端的ELF(小精靈)三個系列產品。

據梁成志透露,目前安路科技每個月的出貨量為上百萬顆,其中最多的還是ELF系列產品。

圖3:安路科技FAE總監郭喜林

安路科技FAE總監郭喜林表示,安路科技的策略是先從小處著手,逐步擴大到復雜的FPGA產品。因為ELF系列產品屬于CPLD,產品不算很復雜,客戶的代碼量也不是很多,“我們更容易掌握,把產品做得更可靠。以后客戶接受了,就會提出更高規模FPGA產品的需求。”

在梁成志看來,目前階段,對國內FPGA廠商來說,最重要的還是替代市場,因此安路科技現在走的是管腳兼容路線,客戶可以不改PCB,降低客戶的替換時間和成本。但未來還是會考慮切入高端市場,做更多差異化新產品出來。

據悉,安路科技將會在2019年年底推出Phoenix系列產品PH5-100K,該產品將會采用28nm工藝制造。

“多駕馬車拉動”,安路科技的發展之道

與其他幾家國內FPGA廠商只專注有限的一兩個領域應用不同,安路科技從一開始就瞄準了多個應用領域,且都開始站穩腳跟。其推出的產品也基本都滿足工業級應用標準。

“目前,我們的產品在消費、工業和通信領域都有應用,我們是多駕馬車共同拉動,共同增長。”梁成志興奮地對<電子發燒友>表示。

圖4:ELF3在LED顯示屏控制系統中的應用

在7月10日深圳舉辦的技術研討會上,安路科技重點介紹了其今年推出的ELF3系列產品。ELF3系列產品采用了低功耗55nm工藝設計、片內集成配置Flash、無需外接配置芯片、使用安路科技自主專利LUT4/5混合邏輯架構、最大容量型號EF3L90具有9K等效邏輯單元、336個用戶IO、270Kbits BRAM容量、16個DSP、1Gbps高速LVDS接口,支持雙啟動和多重啟動功能等功能。

圖5:ELF3在安防監控系統中的應用

同時,安路科技FAE總監郭喜林在研討會上介紹了ELF3在不用應用領域的應用情況。他重點介紹了ELF3在LED顯示屏控制系統、安防監控系統、工業控制系統、通信系統、無人機、3D打印機等領域的領用。

圖6:ELF3在工業數控控制系統中的應用

郭喜林重點提到了ELF3的優勢,包括單電源供電、電路簡潔、占用PCB面積小;上電快速啟動,可控制系統的上電、復位等順序等;具有2個PLL,16路全局時鐘,典型工作頻率為100~200MHz,可實現更高邏輯性能;64位DNA,支持位流AES加密;雙啟動和多啟動功能可支持安全可靠的遠程升級。

圖7:ELF3在通信領域中的應用

軟硬件協同發展

談到國產FPGA廠商發展遇到的困難時,郭喜林表示,一是技術門檻高,核心技術掌握在國外少數的幾家公司手上,其中Xilinx和Intel兩家就握有8000多項專利,對后進者形成了很高的技術壁壘;二是國內FPGA研發人員少,而且國內可供FPGA集成的IP還不夠豐富;三是FPGA與其他芯片不一樣的地方是,廠商必須要自己同時開發硬件及其配套軟件;四是客戶接受度問題,由于使用了FPGA的產品開發周期一般都比較長,“一旦客戶的產品成熟了之后,就算你的FPGA性價比更高,他也不一定會換,因為重新開發的投入會很大。”

研討會上,安路科技還重點介紹其軟件開發工具Tang Dynasty(TD4.5)。該款軟件是安路科技自主開發的從HDL描述到最終位流下載和片上調試的完整系統,為安路科技所有FPGA芯片產品系列提供簡潔可靠的應用設計開發環境。

TD軟件系統采用基于統一數據庫的層次化設計,核心優化引擎采用創新的設計自動化技術,主體流程是性能驅動的逐步精確迭代優化進程。TD軟件系統支持工業界標準的設計輸入描述,提供良好的第三方設計驗證工具接口。能夠幫助客戶實現HDL2BIT流程、用戶約束、IP生產、時序分析、下載位流和設計調試等主要功能。

【總結】

目前國內FPGA廠商有不少,比如上海安路、上海復旦微、紫光同創、京微齊力、高云半導體和西安智多晶等,不過同國際領先廠商相比,國產FPGA產品不論從產品性能、功耗、功能上都有較大差距。

雖然有差距,但國產FPGA廠商正在迎頭趕上,據熟悉安路情況的人士估計,今年安路產值可能在3000萬美元左右。據目前的市場情況來看,應該不難完成,因為最近的國際貿易摩擦,很多企業都有替換的需求,而且已經有多家企業增加了采購量。也就說今年安路科技有可能會實現爆發式增長。