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高云、紫光同创谈国产FPGA 机器人、VR、无人机大有可为

从FPGA的五大市场来看,工业、通信等领域已占据约七成的市场份额,计算机应用、医疗设备发展迅速,低成本低功耗的FPGA进军消费类市场……

数据中心、视频图像、消费类市场的增速较快。随着通信、工业控制、机器人、视频分析乃至消费类市场的发展,FPGA的市场规模更加庞大。近来也有观点表达出FPGA欲取代CPU成为主芯片的可能,同时,投资大门槛高的FPGA在国产化方面能否持续坚挺地得到发展。Q7Desmc

CPU+FPGA用于机器人更靠谱 FPGA内嵌于CPU是方向

最近有报道称,FPGA具有更高的性能和更低功耗,将取代CPU、GPU成为机器人的主要芯片。对此,受访者皆认为要想取代CPU和GPU的可能性不大,反而CPU+FPGA的架构更为合适。这个架构在数据中心的应用中也在大力推动。Q7Desmc

广东高云半导体科技股份有限公司副总经理兼首席技术官宋宁博士分析,从本质上来说,CPU、GPU是串行运算,FPGA是并行运算,它们分别适合于解决不同性质的问题。FPGA在机器人运动控制方面确实有很多独到的优势。FPGA的高性能和低功耗体现在实现运动算法方面可以提供各种灵活的并行输入,进行各种灵活的并行运算和处理。但一个系统往往包括并行与串行两类工作任务,所以完全取代CPU和GPU可能性不大,而可能性比较大的是CPU+FPGA的架构将被越来越广泛地使用在机器人的应用中。
20160729-FPGA-1 广东高云半导体科技股份有限公司副总经理兼首席技术官宋宁Q7Desmc

他继续说道,这里衍生出来的一个新的发展方向是如何将CPU与FPGA集成到一片芯片中,从而提高性能并节约成本。 CPU+FPGA的架构有三种实现方式: (1) 将CPU与FPGA集成到系统芯片中(SOC);(2)将CPU嵌入到FPGA芯片中;(3) 将FPGA嵌入到CPU芯片中。Q7Desmc

(1)CPU在嵌入式系统中的应用有多年成熟的经验;而FPGA集成到系统芯片中还处于探索阶段,目前还没有广泛的应用。因此,目前最常用的方法是将CPU嵌入SOC中,另加独立的FPGA。Q7Desmc

(2)在FPGA产品中嵌入CPU,这样的产品已经出现在市场上很多年了,始终备受关注,但至今还没能打开局面(到目前为止,这类产品的实际市场份额还很小)。究其原因,主要有三点:(1)芯片架构及资源配置如何做到合理,尚需进一步探索;(2)在提高软硬件平台的成熟度、降低开发和调试的难度方面尚需继续努力;(3) 相较于CPU独立于FPGA芯片的设计方案,采用FPGA内嵌CPU的方案在性能与成本上目前还没有优势。Q7Desmc

(3)在CPU中嵌入FPGA的方案,目前刚刚开始在尝试,将来发展如何还有待观察。因此我们预计在今后一段时间内,CPU/GPU与FPGA还是会分别应用在机器人控制中。Q7Desmc

高云一直在密切关注着这一市场,准备在合适的时间点,务实地推出FPGA内嵌CPU的产品。
20160729-FPGA-2深圳市紫光同创电子有限公司营销中心总监兼市场部经理窦祥峰Q7Desmc

“FPGA的灵活性与多功能和高性能特性为客户提供整体的解决方案,的确方便了系统设计。同时也有的厂商FPGA集成了高性能的处理器与视频处理单元,但是FPGA需要解决的是其Features与成本的平衡,也就是怎么契合广大客户的不同需求,如果定义在某个市场方向或客户,那么FPGA的灵活性就没了。所以到目前,取代CPU与GPU 为时过早。”深圳市紫光同创电子有限公司营销中心总监兼市场部经理窦祥峰先生表示,FPGA的存在条件一直没改变——暨器件的灵活性与设计的方便性。另一个角度,如果一个应用确定可以大规模使用,客户必然选择ASIC,但是这与FPGA的应用并不冲突,谁也说不好未来会发生什么? 如:市场有什么新需求,什么新协议出现,而这恰是FPGA可以覆盖的。Q7Desmc

估算投资2亿元,FPGA产品三年入市五年盈利有戏

FPGA的研发投入非常大,技术门槛也比较高,拓展市场也需要时间。但是国产FPGA的未来仍然深受行业期待。Q7Desmc

对国产FPGA的发展,高云半导体宋宁博士认为可以从三个方面来看:1.国家对FPGA的国产化是很重视的,包括京微雅格在内的多家企业得到了国家的大力支持。2. 从FPGA市场的发展来看,中国是全球最大的FPGA市场,而且中国市场的年销售额在全球销售额中的比例在逐年增加。再加上FPGA在集成电路产品中的特殊地位,国产化是一个必然趋势。3. 经过多年的发展,国内FPGA研发的人才已经有了一定的储备。目前国内的FPGA人才,既有海归的,也有本土培养的,人才的规模与水平已足以支撑有实力的FPGA本土企业,并研发出有市场竞争力的FPGA产品。根据以上三点,我们认为对于本土FPGA企业来说,目前是天时、地利、人和都具备,国产FPGA的爆发式增长就在眼前。我们深信,目前国产FPGA的大环境是很有利的,国产FPGA的前景是很光明的。Q7Desmc

在大环境向好的情况下,FPGA厂商在结合行业应用来进行研发投入和产品推广,可以快速地占领市场。宋宁表示,研发投入的大小,是一个相对的概念。FPGA属于高端芯片,相对于其他的高端芯片,例如CPU、大容量存储器,FPGA的投入就小的多了。市场导入的时间,也要看是什么样的产品。我们认为如果从低端产品起步,并选对了产品方向,加上有实力的研发团队与优秀的销售团队,从产品研发算起,三年进入市场、五年实现盈利是可以做到的;而且总投资可以控制在2亿元人民币之内。Q7Desmc

国产FPGA发展结合行业 VR、无人机皆可涉足

在三大巨头占据FPGA市场绝对份额的情况下,国产FPGA力求在中低端或者较国际大厂有差异优势的领域寻找突破。Q7Desmc

国内FPGA企业要想获得市场,还是要走细分市场的路子。事实上,像高云、紫光同创都在深耕某些细分领域,在对安全性要求高的市场得到了不少客户的认可。宋宁认为,一个FPGA初创企业,选择在哪个产品方向上起步,主要考虑的是自身的资金实力。要进入市场,高、中、低端市场的竞争都是非常激烈的。但FPGA市场并非铁板一块,而是有许多的细分市场,并且新的细分市场也会出现。每个FPGA企业都需要在产品通用性与针对细分市场这两方面做出平衡,不可能面面俱到。高云作为初创企业,可以发挥后发优势,在兼顾通用性的同时,在特定的细分市场中做更贴合客户需求的产品,提供更细致的设计服务。比如在一些新兴的FPGA应用场景中,客户对FPGA的安全性、封装尺寸、功耗大小有更高的要求。我们在产品定义的初期就非常重视这些市场的信息收集,并且在产品的设计中做到有针对性。所以高云的FPGA在安全性(保密性)、封装尺寸、功耗等方面都有很大的突破。在这些细分市场中,高云产品的性能优于国外同类型产品。另外,在软件开发领域,我们也有一些突破,比如我们把传统上主要用于高端FPGA开发的在线逻辑分析仪应用于支持我们的中低密度产品。在这一软件工具的研发中,我们对其传统功能进行了强化,并充分考虑到了中低端FPGA在一些高速接口设计方面的需求,使其成为我们软件工具中的亮点之一。 Q7Desmc

国产FPGA厂商如何切入市场,窦祥峰认为从市场应用方面分析,一是替代目前成熟应用,提供门类较完善的产品系列去建立客户信心;二是开拓新的需求,这是重要的,与各行业Design House 合作,提供切实可行的技术方案,从成本与技术上为客户提供高性价比的解决方案。这样可以变相减少与国外厂商的技术差距。在客户应用上,无论是通信、工控还是新兴需求都可以为市场或客户提供新思维和解决实际问题。Q7Desmc

为了给客户提供安全与性能更加平衡的器件,紫光同创针对市场需求的发展趋势,通过缜密的市场调研后,陆续推出了系列产品。产品表现出极高的性价比和安全可控的加密方案,为客户——特别是对于国产化有需求的客户提供可靠的FPGA产品。窦祥峰说,我们的Titan系列采用AES-256的加密算法。应用方式是加密后的位流文件加载到器件,首先结合预先存储在芯片内部的密钥进行解密。加密的位流文件的密钥和储存在Titan 系列FPGA内部的密钥必须匹配,否则Titan 系列产品无法正常进入工作状态。Titan 系列产品内部的密钥是由用户通过JTAG 提前写入的,它是一次可编程(OTP)的,也是非易失的。所以说该密钥信息一经编程会永久保留。此外,Titan 系列产品的密钥提供了读保护功能,使能读保护功能后写入的密钥无法回读。使用了位流加密保护后,用户不再受恶意抄袭的困扰。恶意抄袭者虽然拿到了位流文件(加密的),但是并不知道密钥是什么,所以无法将该位流文件加载到未包含对应密钥的Titan 系列产品中。Q7Desmc

在一些新兴应用领域,例如最近比较火的机器人、无人机、VR设备上,FPGA也将有施展空间。 Q7Desmc

宋宁解析说,在机器人中FPGA的应用机会主要是传感器数据的自动识别、分析与汇总;以及多轴运动轨迹的精准控制。在无人机上FPGA的主要应用机会是运动状态下的图像数据采集;长距离传输和接收的相关处理;以及飞控系统的辅助控制。VR设备上高清图像接口转换、矩阵运算以及图像增强等功能都可以用FPGA实现。高云的目标是有计划分阶段地实现FPGA各领域的覆盖,现阶段主要针对中低密度的市场应用,图像及视频处理、消费类市场是我们近期的主要方向。Q7Desmc

同样的,紫光同创在这些热门应用也有自己的产品定位。窦祥峰表示,在VR设备上需要处理目标识别、定位、跟踪和建模等人工智能和计算机视觉问题;其计算量大,对CPU和GPU有较高要求。FPGA可以使用在AR/VR的识别/定位/运算/传输等方面为CPU/GPU提供协处理的支持,另外如在复合视频处理上FPGA可以实现复合视频输入输出,处理高清图像输入信号与进行智能分析等。我们持续耕耘在传统的FPGA应用领域,但是针对目前应用的热门领域,如:AI,机器视觉,无人机,大数据等新兴应用领域我们都有相应的解决方案,为客户提供相应的技术支持。Q7Desmc

FPGA走向高速率、低功耗

接下来FPGA的技术趋势如何?受访者表示,主要向更高密度、更高速度发展、并且在FPGA中嵌入越来越复杂的硬核。对高速接口需求,对于器件的串化器(SERDES)速率要求越来越高,以及高带宽需求,存储器的接口速率与效率会越来越高。此外,封装尺寸越来越小,功耗越来越低。同时,对FPGA的技术服务要求也越来越高,比如用户对于参考设计、IP的提供等方面的要求越来越多。Q7Desmc

“在今后一段时间,FPGA的主流产品是密度在1K到300K LUT,采用65纳米到28纳米工艺的产品。” 宋宁说道,高云近期的重点市场是50K LUT以内的中、低密度应用市场,涵盖工业控制、图像和视频相关应用、消费类市场以及部分通信市场。今后高云的产品,将逐渐覆盖低、中、高密度FPGA,渗透进FPGA的所有主要应用领域。Q7Desmc

一直以来紫光同创就重视传统的FPGA领域,特别是通信,信息安全,视频监控。规划的下一代高性能新产品,目前正在研发进行中,据称其性能与成本足以让客户期待。
20160719-ESMC-1Q7Desmc

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