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国产半导体入局FPGA,年均复合增长率约为23.1%

全球FPGA芯片市场规模从2016年43.4亿美元增长至2020年60.8亿美元,年复合增长率为8.8%。下游应用广泛的FPGA市场规模会随着AI、5G、数据中心市场的发展不断扩大。预计2025年FPGA市场将会增长至125.8亿美元。

 

FPGA风潮之下,ASIC似乎已经被人遗忘。gdYesmc

作者:六千

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2021年瑞萨收购Dialog并进入FPGA市场,主打低于5000逻辑门的应用,如果说彼时FPGA市场尚未引起轰动,那么2022年AMD以500亿美元收购赛灵思的热度彻底将FPGA推向了风口浪尖。gdYesmc

3月25日,国产半导体公司成都华微电子申请科创板上市被受理。成都华微的招股书显示公司从2018年到2021年的前三季度FPGA销量分别为1.05万颗、1.70万颗、3.00万颗和2.41万颗,销售单价分别为2509.66 元、2527.89元、2369.17元和3489.77元。量价齐飞的数据再次展现了FPGA市场的火热。gdYesmc

那么FPGA市场为何被国内外半导体公司看好?而在FPGA火热的当下,常被拿来与FPGA比较的ASIC芯片是否已经成为时代的眼泪?gdYesmc

FPGA为何火热?

现场可编程门阵列 (FPGA) 是具有可编程硬件结构的集成电路。FPGA内部的电路旨在实现各种不同的功能,并且可以根据需要重新编程以执行这些功能。因此,就灵活性和快速上市时间而言,FPGA通常是绝佳的选择。gdYesmc

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FPGA可以在制造后由用户编程用于特定用途。FPGA包含通过可编程互连连接的自适应逻辑模块 (ALM) 和逻辑元件(LE)。这些块创建了逻辑门的物理阵列,可以定制以执行特定的计算任务。gdYesmc

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FPGA可以用于从计算机或服务器中的硬件加速,去处理重复性和计算密集型任务。SmartNIC是一种特定类型的FPGA应用程序,它允许对数据包执行高级操作,例如隧道终止、对数据包应用复杂的流分类和过滤机制、计量和整形。这些功能通常由CPU执行,但SmartNIC允许卸载它们,从而释放服务器资源以专注于其主要任务。gdYesmc

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标准CPU的主要制造商正在通过收购专门从事FPGA的公司来扩展其产品组合。2015 年,英特尔收购了美国可编程逻辑器件 (PLD) 制造商Altera,微软已经将英特尔FPGA的多功能性用于加速AI。去年AMD收购了发明FPGA架构的公司Xilinx,让业界看到CPU巨头对FPGA的重视。gdYesmc

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FPGA的最大卖点是FPGA可以由客户在实验室或现场预制和编程。它们不需要一次性工程费用 (NRE),并且可以帮助创新者极快地进入市场。这使得FPGA 成为在快速变化的环境中实现差异化的绝佳选择。gdYesmc

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国产半导体入局FPGA

1985年Xilinx创造了FPGA芯片,随后Xilinx、Altera、Lattice等公司通过近9000项专利建立出对FPGA的绝对垄断。目前全球FPGA市场由四大巨头AMD(Xilinx)、英特尔、Lattice、Microsemi垄断,四大厂商的市场占有率达到了96%。gdYesmc

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中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2020年的150.3亿元,年均复合增长率约为23.1%。预计到2025年,中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元。目前国内生产FPGA的厂商包括紫光国微、复旦微电子、成都华微、安路科技、高云半导体、易灵思等。gdYesmc

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紫光国微参股子公司紫光同创专业从事包括FPGA在内的可编程逻辑器件业务,中小规模FPGA多款产品逐步成熟、稳步上量发货,在视频图像处理、工控和消费市场领域取得应用。同时公司也在开发大规模FPGA。gdYesmc

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复旦微是国内最早推出亿门级FPGA产品的厂商,2021年全年复旦微FPGA全年营收4.3亿元,同比增长109.49%,毛利率高达85%,目前复旦微正在研发14/16nm工艺制程的10亿门级产品。gdYesmc

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开篇所说的成都华微拟通过IPO募集2.2亿用于在千万门级高性能 FPGA 的研发,以及对 28nm 及以下先进工艺,亿门级超大容量 FPGA 进行预研究、预设计、预开发等工作。gdYesmc

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安路科技在2021年上市,目前已经建立其高性价比系列、低功耗系列、高性能系列矩阵,产品覆盖网络通信、工业控制、消费电子和数据中心领域。gdYesmc

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高云半导体的FPGA在车规级产品上取得一定突破,已有数款 FPGA 通过车规认证,并在诸多国内外著名车企的数十款车中批量出货。gdYesmc

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此外易灵思的FPGA产品也已经在热成像相机、工控、显示等领域被采用,也推出了车规级FPGA产品。gdYesmc

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可以看到国内涉足FPGA的半导体厂商不少,而有潜力的市场也让一些厂商得到资本市场的助力。正在IPO的成都华微与已经上市的安路科技均是华大半导体控股的公司,足以见得国内半导体产业也对FPGA这条赛道充满信心。但这是否就意味着ASIC失去活力了呢?gdYesmc

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被“冷落”的ASIC芯片

专用集成电路 (ASIC) 是为特定功能而专门构建和批量生产的。与 FPGA 不同,它们不能重新编程,并且需要大量的 NRE 投资。使用基于标准单元的 ASIC,必须定制集成电路的每一层。这需要专门的设计团队和软件工具来设计预期功能,并在测试设计 (DFT) 架构开发方面进行大量投资,以确保设计可制造并具有良好的质量。gdYesmc

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但ASIC也有着其独有的优势。一个 ASIC 比 PC 板上的多个互连标准产品要小。尺寸的可变性允许芯片根据需要尽可能小或大。由于其较小的物理尺寸,与标准组件的集合相比,ASIC 设备可以使用更少的电力。此外,ASIC 仅包含应用所需的电路,因此,由于微型尺寸和功率要求,芯片效率更高。随着新功能的成熟,强化集成电路设计会更加经济和节能。gdYesmc

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除了尺寸、功率和性能之外,ASIC 芯片还为使用者提供 IP 保护,这与标准产品不同,每个用户可以拥有自己独一无二的芯片,更容易将自己与竞争对手区分开来。gdYesmc

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虽然开发 ASIC 需要初始投资较高,但这项投资的回报非常高。除了可能的性能增强外,使用 ASIC 的产品需要的电子元件更少,而且组装成本更低。拥有更少的零件意味着更高的整体可靠性。ASIC 可以在单个芯片上容纳许多不同的系统,因此,在组装最终产品时,需要接触到的供应商要少得多,许多零件的产品的采购和生产计划将减少。gdYesmc

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ASIC的应用领域也十分广泛包括医疗、工业、军事、航空等领域。其中虚拟币是主要应用领域之一,这主要是因为相对于GPU、FPGA来说ASIC的能效更高。gdYesmc

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Research and Markets的报告显示2018 年全球 ASIC 芯片市场规模为 148.7 亿美元,到 2025 年,全球 ASIC 芯片市场规模预计将达到 247 亿美元,在预测期内以 8.2% 的复合年增长率增长。从数据上可以看到,其实ASIC芯片的市场规模并不小。据比特大陆招股书显示算围绕其ASIC芯片及相关业务,在2018年收入达到28.46亿美元。不过由于虚拟币“挖矿”在中国受到限制全球ASIC市场规模增速或许会小幅度放缓。gdYesmc

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FPGA 与ASIC,各有裨益

ASIC芯片的缺点也很明显。因为ASIC芯片是针对特定应用设计的,芯片能处理的算法是单一的,当算法发生变化之后,针对之前的算法设计的ASIC芯片无法作出相应更新,那么它的效能就会大打折扣。gdYesmc

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特别是在AI、服务器这类领域,在各种算法不断迭代的情况下,ASIC芯片的特性反而成为了它的累赘。一款芯片生产需要耗费的除了金钱成本还有时间成本,即使是“不差钱”的头部公司也不会为了每次更新耗费时间、人力设计ASIC芯片。毕竟抢占市场,能否最快速度的让前沿技术商用化也是衡量一家科技公司实力的重要标准之一。这就是为何无论是AMD还是英特尔都在FPGA领域发力的重要原因。gdYesmc

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FPGA和ASIC的特性对比gdYesmc

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通过对比FPGA与ASIC的性能,我们可以发现。其实ASIC与FPGA之间的关系并不是谁取代谁,更多的是在不同领域各自发力。gdYesmc

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因为技术总会在不断的发展,在面对一个新的技术和应用的时候,算法会不断的进行快速升级,在这种情况下FPGA会更为合适。而对于那些软件、算法已经相对成熟和稳定的领域,ASIC的性价比就会体现出来。gdYesmc

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举例来说,ASIC的NRE是150 万美元但单位成本只需要4 美元而FPGA的NRE是0美元但FPGA单位成本可能达到8 美元,是ASIC的两倍。gdYesmc

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在这样的情况下,ASIC项目与FPGA项目存在一个平衡点,虽然ASIC项目需要150万美元的NRE,但与 FPGA 相比在40万个单位的数量之后,ASIC开始更具成本效益。因此人脸识别语音识别等厂商们在新的技术应用之初,可能会选择FPGA,进行不断地调整优化以适应算法的演进。等到相应的技术成熟,可以大规模部署生产的时候,厂商们就会通过定制ASIC芯片去提升性价比以及最优化性能。gdYesmc

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在这样的过程中,我们可以发现FPGA芯片的火热并不是为了淘汰ASIC芯片,而是一种互相成就。赛灵思称自己的架构与器件、设计套件组合为领先的 ASIC 和 SoC 平台的需求提供了理想的解决方案。例如,英飞凌就与赛灵思和 Xylon 合作推出了新的 Xylon IP 内核 logiHSSL。这允许 Xilinx 的SoC、MPSoC 和 FPGA 器件与英飞凌的 AURIX™ TC2xx 和 TC3xx 微控制器之间通过英飞凌高速串行链路 (HSSL) 进行高速通信。通过HSSL 接口,客户的 ASIC 和 AURIX 设备之间交换数据,以实现功能扩展或性能。gdYesmc

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结构化 ASIC应运而生

既然FPGA与ASIC各有优势,学术界也展开了结合ASIC与FPGA的技术探索。gdYesmc

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英特尔就提出了结构化ASIC的概念。结构化 ASIC 是 FPGA 和基于单元的 ASIC 之间的增量步骤。结构化 ASIC 以具有逻辑、内存、I/O、收发器和硬核处理器系统的通用基础阵列开始。设计人员只需定制互连,跳过基于单元的 ASIC 设计流程中涉及的许多步骤,而是专注于实现所需的定制功能。gdYesmc

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从本质上讲,与 FPGA 相比,结构化 ASIC 具有更低的功耗和更低的单位成本,并且与基于单元的 ASIC 相比,具有更低的 NRE 和更快的上市时间。gdYesmc

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在科学研究上,我们乐于看到百家争鸣,无论FPGA还是ASIC,代表的都是科技越来越多的可能性。gdYesmc

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