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国产FPGA如何缩小与国际之间的差距?

随着我国不断加大研发投入和人才培养力度,未来国产FPGA企业将有望缩小与国际企业之间的差距。

编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划,瞄准集成电路等战略性领域之际,半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题,讲述当今中国半导体各领域发展进程,解析国产化最新态势,本期为“国产化进程”专题集成电路篇第四篇文章:FPGA。63Cesmc

FPGA,作为一种半定制芯片,具有现场可编程性,非常灵活,可重复使用,特别适合要求物理运算逻辑持续更迭的应用,例如人工智能算法优化、数据中心、网络通信等。63Cesmc

当下,随着技术的发展和应用需求不断提升,FPGA具有更广阔的发展空间,特别是5G技术的提升、AI的推进以及汽车自动化的演进,全球FPGA市场规模将稳步提升。据Market Research Future统计,2018年,全球FPGA市场规模为63.35亿美元,预计2025年将增长至125.21亿美元,2018-2025年平均复合增长率为10.22%。63Cesmc

中国市场水涨船高,近年来,FPGA市场规模持续上升,从2016年的65.5亿元人民币,增长至2020年的150.3亿元,年复合增长率为23.1%。据预测,2025年,中国FPGA市场规模将提升至332.2亿元,2021-2025年的复合增长率为17.1%,高于全球市场。在国产化趋势下,中国 FPGA市场的增长将为本土厂商提供更多商机。63Cesmc

厂商方面,全球FPGA市场被赛灵思(Xilinx,已被AMD收购)和英特尔(收购了Altera)这两大巨头把持,市占率合计达87%左右,再加上另外两强Lattice和MicroChip,这四家美国公司就占据了全球92%以上的FPGA市场份额。63Cesmc

相较于国际大厂,中国本土FPGA厂商整体实力较弱,代表企业包括复旦微电子、紫光同创(紫光国微持股)、安路科技和高云半导体,另外还有西安智多晶、京微齐力、上海遨格芯和成都华微科技。国内厂商以偏低端的CPLD和小规模FPGA器件为主。63Cesmc

中国本土FPGA厂商在技术水平、软件易用性、市占率等方面都与国际大厂存在较大差距,但随着我国不断加大研发投入和人才培养力度,未来国产FPGA企业将有望缩小与国际企业之间的差距。另外,国内头部企业都有名校背景,如紫光同创背靠清华大学,复旦微电子背靠复旦大学,具备较强的人才资源优势。63Cesmc

国产FPGA概况

安路科技、复旦微电子和紫光同创是中国本土FPGA企业中的佼佼者。最近几年,借助国家政策和资金支持,以及全行业国产化加速动能,这三家厂商也加快了追赶国际大厂的步伐。63Cesmc

FPGA芯片的现场可编程特性决定了客户需要FPGA专用EDA软件来配置芯片实现具体功能,因此,软件是FPGA产品开发的关键。安路科技自主开发的软硬件协同研发平台,实现了以软件为核心,支持硬件、专用EDA软件、测试、应用IP和参考方案的协同设计。在FPGA专用EDA软件方面,安路科技的TangDynasty是国内少数全流程自主开发的FPGA专用软件。63Cesmc

在FPGA芯片应用方案方面,安路科技已经积累了一批成熟的图像处理和逻辑接口IP,大幅提升了用户的应用开发效率。目前,该公司的28nm制程FPGA已经量产,是国内首批具有28nm FPGA芯片设计和量产能力的企业,且已开展FinFET工艺产品预研工作。63Cesmc

2021年11月,安路科技在科创板上市,募投资金主要用于新一代FPGA研发,以及FPSoC系统级芯片研发项目。近些年,该公司的研发费用支出占营收比率一直稳定在30%以上。63Cesmc

在千万门级FPGA发展成熟之后,2018年第二季度,复旦微电子推出了采用28nm制程工艺的亿门级FPGA产品,开创本土先河,其SerDes传输速率最高达13.1Gbps,已向国内数百家客户发货,主要用于5G通信和人工智能等对传输速度要求较高的领域。63Cesmc

在复旦微电子2018-2021年主营构成中,FPGA芯片的收入占比不断上升,从2018年的11%增至2021年的17%,体现了该公司FPGA随国产替代不断放量的趋势。由于FPGA业务的技术壁垒较高,高研发投入带来的高定价,以及应用领域等因素,2021年,该公司FPGA毛利率达到84.71%,远高于其他业务。63Cesmc

紫光同创的FPGA在高中低端市场均有布局,如高性能的Titan系列(40nm),以及高性价比的Logos系列(40nm),该公司还有55nm制程工艺的Compact系列CPLD产品。另外,采用28nm制程的千万门级(4000万)FPGA量产工作也在推进过程当中。63Cesmc

2021上半年,紫光同创实现营收2.35亿元人民币,同比大幅增长103.02%,净利润8901万元,同比增长197.30%,实现扭亏为盈。该公司持续加大研发投入,大规模FPGA研发进展顺利,多款中小规模FPGA产品逐步成熟,稳步上量发货,并在视频图像处理、工控和消费市场取得了重要进展。另外,紫光同创已初步完成了新一代产品,即可编程系统平台芯片SoPC的规划工作。63Cesmc

任重道远

看完了成绩,下面看一下不足与差距。中国本土FPGA厂商在市场规模、制程工艺、EDA工具、IP等方面,与国际大厂的差距还是很大的。63Cesmc

赛灵思、英特尔和Lattice在中国市场的出货量占比分别为36.6%、25.3%和23.2%,本土厂商安路科技排在第四位,占比仅6%。若以销售额统计,赛灵思和英特尔两家的合计占有率超过90%,安路科技排名第四,占比仅1%左右。63Cesmc

赛灵思,英特尔,Lattice和MicroChip不仅在硬件设计方面技术领先,它们在高端EDA软件设计方面也形成了极强的技术壁垒,通过近9000项专利构筑了牢固的知识产权壁垒,研发相关人才近万人。63Cesmc

FPGA芯片设计阶段涉及到很多IP硬核,而在后期编程阶段又涉及到很多IP软核,国外厂商凭借自身高市占率,在客户应用过程中不断积累,从而形成了强大的产业生态链。63Cesmc

相对而言,中国FPGA研发基础较为薄弱,由于发展较晚,中国FPGA研发人才匮乏,这已成为制约中国FPGA产业发展和产品升级的主要障碍。63Cesmc

产业链方面,中国国产化程度低,特别是EDA和IP,随说本土FPGA头部厂商也自研了一些软件工具,但总体来看,使用的EDA软件和IP主要由境外企业提供,Cadence、Synopsys和siemens占据了主要的市场份额。63Cesmc

受制于专利,中国本土企业在研发方面也是困难重重。据统计,赛灵思已申请超过5300项专利,而紫光同创拥有的专利数仅300余项,差距明显。由于FPGA核心专利大都掌握在国外厂商手中,在核心专利没有过期的情况下,要绕开它们,不仅要加大研发投入,还要消耗更大的芯片面积和功耗。这对FPGA初创公司的发展非常不利。63Cesmc

另外,中国FPGA企业在门级规模和制程工艺方面,与国际大厂之间的差距也很明显。63Cesmc

制程工艺方面,以赛灵思为例,其FPGA芯片主流工艺包括28nm、20nm和16nm,7nm制程产品也已发布。目前,中国本土厂商已发布的产品只能达到28nm制程。63Cesmc

不过,目前市场对28nm及更先进制程FPGA的需求量相对有限。由于28nm-90nm制程区间内的FPGA芯片具有较高的性价比和良率,依然是市场主流。据Frost&Sullivan统计,2019年28nm-90nm制程的FPGA占据了中国市场63.3%的份额,28nm及更先进制程FPGA占据了20.9%的市场份额。这一市场格局为国产FPGA的发展提供了时间。但是,由于先进制程产品具有更低功耗、更小面积和更高性能,预计28nm及更先进制程FPGA芯片将快速发展,我们还是要抓紧时间。63Cesmc

本土几大厂商在先进制程FPGA的研发和量产方面也取得了一些成绩,以安路科技为例,其55nm制程产品是主要营收来源,28nm制程营收占比在快速提升,该公司在2020年实现了28nm制程PHOENIX1系列产品的量产,28nm产品营收占比持续提升,2021上半年达到5.11%,较2020年显著增长。63Cesmc

门级规模方面,赛灵思16nm制程产品达到十亿门级,28nm制程产品为亿门级。中国本土头部厂商28nm制程产品的门级规模刚刚达到亿门级。100K门以下逻辑单元芯片为国内主要市场。据Frost&Sullivan统计,以销售额计算,中国市场100K门以下的FPGA芯片占据了38.2%的市场份额,100K-500K门FPGA占据了31.7%的市场份额。63Cesmc

SerDes速率也有差距,例如,赛灵思16nm制程产品最高支持32.75GbpsX96通道或58GbpsX32通道,安路科技28nm制程产品的SerDes速率仅达到16Gbps。63Cesmc

结语

虽然国际FPGA四大厂把持着绝大部分市场份额,但AMD近些年的CPU市占率和营收蹿升告诉我们,只要产品做的对路,性能指标好,一切皆有可能。而且,在国家政策、资金的支持下,以及国产化浪潮的推动下,中国本土FPGA是有很大发展空间的。63Cesmc

目前来看,国产FPGA短期内还难以与赛灵思(AMD旗下)和英特尔抗衡,更多地是在争夺主打中小规模(门级)、低功耗FPGA的Lattice和MicroChip市场份额,特别是在前景广阔的汽车和工业应用市场,更具发展潜力,因为这两大市场对成本很敏感,赛灵思和英特尔的产品受限较多,这给了后来者机会,包括中国本土FPGA厂商。63Cesmc

特别是汽车市场,更是一块大蛋糕,为了争夺这块潜力市场,车用MCU领导厂商瑞萨电子于2021年推出了低功耗ForgeFPGA,价格将低于0.5美元。这是瑞萨收购Dialog Semiconductor GreenPAK可编程混合信号器件业务后推出的,此前,Dialog Semiconductor还与FPGA开发商Flex Logix合作,将其EFLX平台集成到包括MCU在内的芯片中。63Cesmc

这样看来,在以汽车电子为代表的中小规模(门级)、低功耗FPGA市场竞争当中,中国本土企业既有机遇,也要面临更多竞争和挑战,还需要不断提升FPGA研发能力和生态建设水平。63Cesmc

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