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国产FPGA聚焦5G+AI新应用,打造“中国万能芯”!

在通用芯片与专用芯片之间,有一个更为灵活且神秘的领域:FPGA。它被业界誉为“万能芯片”,是目前仅有的支持再编程的芯片,可以按照设计人员的需求配置为指定的电路结构,不再依赖传统的芯片设计与制造。通俗来讲,只要把代码输进FPGA,它就可以成为任何一款你所需要的芯片。

由于FPGA高灵活性的特点,它已广泛应用是在通讯系统、工业控制、武器控制、消费电子等领域。随着2020年5G大规模商用的到来,芯片应用个性化、多元化、短周期的设计需求日益激增,FPGA迎来了大展身手的机会,有望在5G终端、AIoT、数据中心、边缘计算、医疗电子等新兴应用提速增长。ZNaesmc

本期《国际电子商情》有幸邀请三家本土FPGA主力军企业,共同探讨国产FPGA的破局之道。ZNaesmc

新兴应用一炮打响70亿FPGA市场

虽然FPGA市场不如处理器、存储市场这般成熟且庞大,但其增速在近年来尤为明显。包括MRFR、Gartner在内的多家国际市场机构给出的预测数据都十分相近,预估2020年FPGA的市场规模将在70~80亿美元区间,年复合增长率大概在10%左右。这种增长幅度远大于ASIC和ASSP市场。ZNaesmc

因此,“加速”成为2020年FPGA厂商的关键词。一方面,国际厂商持续加速先进硬件技术的研发,还积极搭建软件平台,召集更多开发者参与进来共同构建FPGA生态圈。另一方面,本土FPGA企业也正在加速成长,从工艺技术、应用领域、人才培育等方面不断深耕,奋力追赶国际一线品牌。在采访过程中,三位受访者均一致认为,2020年将是本土FPGA发展的黄金时代。ZNaesmc

安路科技副总经理陈利光博士说道,2020年可以预见的最显著增量是在通信和数据中心。通信主要是受益于5G大规模部署驱动,数据中心是受到云计算、人工智能加速等需求推动。在此基础下,FPGA还将会进入云计算、数据中心加速、IoT等领域,其中关键在于创新驱动。据悉,安路将会在通信、工业4.0、消费电子、物联网等领域提供更多的创新产品和器件,为系统工程师提供更多的设计空间。ZNaesmc

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安路科技 副总经理 陈利光 博士ZNaesmc

而高云半导体资深产品市场经理赵生勤表示,5G通信、工业4.0以及AI、数据中心、自动驾驶等应用的快速发展将带动FPGA市场的快速持续增长,是高云关注的重点领域。期间将会呈现出两个主趋势:中低端产品的差异化设计和高端器件的不断优化。对此,高云半导体自成立以来,一直秉承技术创新和差异化设计理念,目前基本实现中低端产品的全面覆盖;同时,高云也在积极部署高端器件,第三代大密度高性能FPGA产品也将很快发布。ZNaesmc

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高云半导体 资深产品市场经理 赵生勤ZNaesmc

紫光同创市场总监吕喆在受访中指出,在异构计算时代,传统的处理器架构无法很好地应对多样的运算需求,平均性能和功耗能效更优的FPGA器件提供了很好地补充。另一方面,人工智能及5G等还处于产业初期,技术和方案还未确定,灵活可编程的FPGA器件在新产品研发及加速上市中不可或缺!ZNaesmc

“从FPGA产品发展来看,高性能、高带宽、高集成度的高端FPGA和‘CPU/GPU+FPGA+专用加速引擎’的多核异构SOPC将成为两大重要趋势。”吕喆如是说,“目前,紫光同创通过 Titan、Logos、Compact三大产品系列,覆盖高中低端应用市场需求,广泛应用于通信、工业控制、汽车电子、消费电子、数据中心等领域,是国产FPGA里面产品线最齐全、覆盖范围最广的厂商。针对FPGA未来发展,紫光同创后续将根据具体市场需求,推出相应的FPGA产品。”ZNaesmc

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紫光同创 市场总监 吕喆ZNaesmc

应用众多新应用的千变万化需求,FPGA技术也不断更新,未来会有哪些新变化?ZNaesmc

陈利光博士分析认为,主要在几个方面:首次是更先进的工艺,先进工艺可以给FPGA带来性能和容量大幅度提升;其次是更高的集成度,SoC平台化,集成多核处理器、NOC网络、高速存储接口、专用加速器、视频编解码、高速ADC/DAC等。其它比如领域优化FPGA、新型的存储器架构FPGA、超低功耗FPGA技术、人工智能FPGA、安全FPGA等技术都有可能成为未来发展方向。ZNaesmc

对此,在当前计算架构创新的时代, 具备软件和硬件可编程能力的FPGA面临更多的机会。陈利光博士指出,本土FPGA厂商可以在持续跟进工艺演进、推动架构创新、紧跟市场需求等多方面着力,提供差异化的产品和服务。ZNaesmc

赵生勤补充道,相比于专用ASIC芯片,FPGA因为其灵活性和可编程性在很多市场领域成为最理想的选择。但是FPGA一直以来被认为是门槛较高的行业,无论是EDA工具的使用,设计开发还是IP以及解决方案等方面,都需要足够多的支持。为了使FPGA快速进入更多领域,FPGA原厂需要从开发工具、IP、参考设计等多方面入手,加强基本功能模块的IP化,针对各领域客户提供更多的参考设计方案,提供更多的技术培训;同时,还需要有实力雄厚的技术支持团队,继续发挥国产FPGA贴近市场的优势,做客户需要的产品。ZNaesmc

补齐短板,国产FPGA与国际巨头“掰手腕”

众所周知,FPGA是个原本相对平静具有较高技术门槛的领域。随着近些年,包括紫光同创、安路科技、高云半导体等在内的国内FPGA新力量加入,给FPGA应用带来了许多的创新和改变,同时也面临许多严峻挑战。ZNaesmc

FPGA国内外差距还是很大,主要体现在工艺、架构、性能、软件等多方面。比如工艺制程上,国际一线厂商Xilinx最新器件已经到7nm,国产的还是集中在40nm,虽然有些国产头部厂商也在跟进28nm,但还没实现大规模量产化。性能和容量差距也很大,差不多是国外7~8年前的产品,差2~3代。在架构和软件方面,国产FPGA主要还是解决FPGA本身逻辑容量和性能问题,国际一线在全力打造可编程生态,涵盖软件、硬件、加速器等多种形态,发展数据中心加速业务。ZNaesmc

对此,本土FPGA厂商该如何补齐短板、奋力追赶?陈利光博士肯定道,当前的差距也就是未来发展机会和空间,未来可以着重在工艺制程、架构创新、领域优化等方面加速发展,在复杂的形势变化过程中寻找确定性增量市场,以产品差异定位、创新优化和优质服务赢得市场先机。ZNaesmc

吕喆强调道,由于国外企业起步较早,在技术和专利方面构建了壁垒,国内在人才储备、性能指标及生态建设等方面还存在一定的不足。然而,随着国家的重视程度提升、技术的积累及创新、专业人才的培养及新兴市场需求的拉升,国内FPGA产业正处于快速追赶阶段。ZNaesmc

作为中国FPGA领导厂商,紫光同创不仅针对高端FPGA关键技术重点突破,如基础架构、高速Serdes、核心IP等,还从软硬件方面,推动国产FPGA产业迈向高端应用领域。与此同时,紫光同创还将加大人才培养及生态建设投入力度,为国产FPGA做好人才池储备。ZNaesmc

据悉,除了即将上市的28nm产品之外,紫光同创也启动了更先进工艺高端FPGA器件的研发工作,有望进一步缩小与国外差距,引领国产FPGA进入新的高度!ZNaesmc

赵生勤则认为,国产FPGA厂家都起步较晚,但可喜的是,短短几年的时间,在中低端产品领域已经可以和国外品牌抗衡,甚至可以提供比国外器件更多的附加值,这是不可磨灭的成绩。可是在高端产品领域,无论工艺节点还是EDA工具支持上,都还存在较大差距。ZNaesmc

“高云的定位不是简单地做国外厂商的Follower(跟随者),我们还是要保持持续的技术创新理念,结合市场实际需求,不断向前迈进,在高端器件方面持续加大投入,提供更加完善的技术支持服务和行业解决方案,为客户提供更多的附加值!”赵生勤的话语掷地有声,代表着本土FPGA厂商的勇气与决心。ZNaesmc

5G+AI应用提速,“中国万能芯”蓄势待发!

来到2020年,5G成为各行各业的兵家必争之地。在FPGA领域,5G通信设备正在快速发展,64T64R甚至128T128R天线收发通道,带来大量信号并行处理需求,其中数字前端信号处理、接口转换、数字信号基带处理、传输网和骨干网以及中小基站等都是FPGA不可替代的应用场景,从小容量接口CPLD到大容量核心FPGA器件都有广泛的应用需求。ZNaesmc

陈博士介绍道,安路科技当前正全方位布局5G市场需求,从针对逻辑接口的大IO需求的ELF3-9K FPGA,到面向前端信号处理的PH1-100K中等容量FPGA,面向基带处理的PH1-360K大容量高性能FPGA都在快速研发和量产中,未来有望成为5G浪潮中国产FPGA的重要成员。ZNaesmc

赵生勤认为,以5G+AI为主要应用场景的需求将迅速提升FPGA的市场容量。她引用了OroGroup发布的《移动无线接入网五年预测报告》预测,接下来的五年时间里,运营商对于宏基站、小基站的需求将会是“迅猛式”,基站出货量将超过2000万个,5G新空口大规模天线阵列(Massive MIMO)收发器的出货量将超过5000万个。更值得一提的是,“基站的密集部署”成为发展趋势,增幅高达560%,而且预计在5G时代仍将保持高增速。因此,在5G通信领域,小到接口和控制管理,大到复杂高速通信协议处理,FPGA都有着不可取代的作用。ZNaesmc

“高云即将发布的第三代产品,器件逻辑容量为130K,内部集成12路高速Serdes,支持XAUI、CPRI等各种主流通信协议,非常符合5G通信对这个密度级别FPGA器件的需求。”赵生勤介绍道。ZNaesmc

最后,吕喆解释道:“5G通信、数据中心和AI都是FPGA的新兴市场,推动了FPGA市场规模的增长。比如,5G数据带宽和实时性能的提升,小基站数量的增长,新协议的出现,5G服务向用户侧下沉以及多样性的要求等等,都是FPGA的新的应用价值,另外,FPGA在通信设备中的传统应用场景仍然存在,比如功能升级、接口处理等。数据中心和AI,更是FPGA的新兴市场,特别是在云端和边缘端的应用场景,本土FPGA在夯实基础后,也需要积极布局。”ZNaesmc

据介绍,为了推进FPGA在新兴产业领域应用,紫光同创已规划基于更加先进工艺的亿门级高端FPGA研制,并已启动32.75Gbps超高速Serdes等关键技术研发工作,以满足5G、数据中心、人工智能等新兴市场应用需求。ZNaesmc

本文为《国际电子商情》2020年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里 ZNaesmc

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Momo Zhong
国际电子商情(Electronics Supply and Manufacturing-China)助理产业分析师,专注于PCB、电子工程、移动终端、智能家居等上下游垂直领域。
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