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【摘要】在数字化浪潮中,FPGA以其灵活性和可编程性在芯片界异军突起。

面对国际竞争和市场风云变幻,5G和AI需求促生了FPGA的爆火

但汹涌澎湃的国产化浪潮背后,中低端市场技术差距、仍需完善的生态系统、尚需补充的人才力量,都给各家压上了更多的任务。

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以下是正文:

1984年,赛灵思发明世界首款FPGA芯片的同时,复旦大学国产FPGA研究组的一位教授心里已经有了“利用存储单元对硬件电路进行编程配置”的设想。

这一想法后来曾汇报给当时的电子部主管领导。

2011年,当FPGA芯片在国内刚刚兴起之际,这位童家榕教授与章开和、刘凯一同创办了安路科技,继续专注于FPGA研究。

时至今日,随着5G和AI的推动,FPGA需求再次猛涨。

一般情况下,芯片用量需要达到10万片以上,这样开发ASIC才能够有价值。但在边缘AI领域,大部分市场都达不到这个芯片用量。

这部分需求促生了FPGA的爆火,通过对FPGA编程,FPGA能够执行ASIC可执行的任何逻辑功能,且无需等待三个月至一年的芯片流片周期。

尽管美国三巨头Xilinx(AMD收购)、Altera(Intel收购)、Lattice仍主导八成以上的市场份额,FPGA仍在汽车、数据中心、5G通信和工业领域给出越来越多的想象空间。



01FPGA:芯片领域中的可编程先锋

按照功能,逻辑芯片可分为四类,即通用处理器芯片(包含中央处理芯片CPU、图形处理芯片GPU、数字信号处理芯片DSP等)、存储器芯片(Memory)、专用集成电路芯片(ASIC)和现场可编程逻辑阵列芯片(FPGA)。

相较于CPU、GPU来看,FPGA知名度较小,其属于逻辑芯片大类。

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与其他三类集成电路相比,FPGA芯片的最大特点是现场可编程性。CPU、GPU、DSP、ASIC芯片在制造完成后,功能就已固定,无法进行任何修改。

现场可编程逻辑阵列(FPGA)芯片,顾名思义,用户可以借助专用的电子设计自动化(EDA)软件,根据实际需求,设计并配置芯片的功能。每颗FPGA芯片都可以通过多次编程,灵活地变换功能,从而实现不同的功能。

据 Frost&Sullivan 预测,2025年全球FPGA市场规模将超过125亿美元,国内市场规模将从 2022年的208.8亿人民币提升至2025年的332.2亿人民币,三年后CAGR可达到约17%。

目前,国内FPGA 厂商虽在技术实力、产品性能及市场份额等方面与国际巨头尚有一定差距,但近年来的发展势头不容小觑,主要参与者有紫光同创、安路科技、复旦微电等。

从下游应用看,目前国内FPGA企业主要集中于中低端市场耕耘与拓展阶段,最高端的 FPGA 两大领域——原型验证、数据中心加速计算仍未有国产FPGA 能够进入。

但价格是国产 FPGA 产品的一大优势,需求供应链安全的客户能够看到更具性价比的选择本就是好事,尤其在当下集中猛攻的中低端市场,可以有效降低客户的采购成本和使用成本。

除此之外,国产厂商大多可以根据客户的特定需求,提供定制化的产品和解决方案,这一点对于快速解决在产品开发和使用过程中遇到的问题、缩短产品研发周期都至关重要。

涵盖紫光同创、安路科技、复旦微电在内的一众国内FPGA企业,尽管仍处于中低端市场耕耘与拓展阶段,但受益于国内FPGA芯片下游市场需求的稳健增长和国产替代趋势,公司前景仍然向好。



02性能与效率的国产路径

FPGA数十年的发展历程中,国产FPGA产业由于起步较晚,曾长期以“追随者”的姿态研发和规划产品,差异化创新并不多见。

近年来,边缘计算促生需求的大背景下,国产FPGA今年在客户需求上下了不少功夫。

举例而言,今年7月8日,安路科技正式对外发布PH1P系列新产品,围绕“芯片+EDA+IP”FPGA功能实现链路进行了全方位的定义。

芯片性能和效率上,PH1P系列的部分型号内置了RISC-V内核的MCU,在工业控制领域显著优化了逻辑资源的使用,提升了方案的开发效率和性价比。

以PH1P-35器件瞄准的LED显示应用为例,在构建相关应用时,用户可以将控制协议处理、芯片驱动寄存器映射、校正数据点重映射与迁移等任务交由MCU全权处理,而不必再耗费逻辑资源进行开发。

IP资源上,PH1P系列搭载了不少安路科技长期积累的成熟IP方案,涵盖多个行业关键技术。

此外,按照安路科技研发部副总经理谢丁的说法,PH1P-35、PH1P-50和PH1P-100三款器件均有明确的市场定位。

PH1P-35专为LED显示、视频处理、机器视觉等领域的客户痛点设计,针对功能需求和系统带宽,提供了大容量内存和高速接口带宽的解决方案。

PH1P-50和PH1P-100则兼容主流应用方案,但提供了更具性价比的功能体验:在竞品已有的IP基础上,安路科技提供更大带宽或更高容量的方案;而在竞品未涵盖的IP方面,如MIPI协议硬核,安路科技深度挖掘客户需求,将这些创新IP融入产品,赋能终端方案的创新。

EDA工具上,安路科技为PH1P系列提供完备的开发资源支持,包括FPGA EDA工具、SoC集成开发环境和demo板等。

此外,针对PH1P系列中集成MCU内核的型号,安路科技提供了TD和FD两款开发软件。TD软件是安路科技自主研发的开发工具,专门用于PH1P系列的逻辑开发。使用TD软件,用户可以轻松完成从逻辑设计到优化的全过程,最后生成适配目标芯片的文件。FD软件是安路科技自主开发的面向FPSoC和FPGA内嵌MCU的集成开发环境。

其他业内厂商如紫光同创,其Logos 系列同样主打高性价比,广泛应用于工业控制、通信、消费类等领域,Compact 系列 CPLD 产品,主打低功耗、低成本,适用于系统配置、接口扩展和桥接等应用需求。复旦微同样在低功耗MCU领域从2013年就开始深耕。

考虑到国内智能化趋势迫在眉睫,未来至少5年内,FPGA国产替代可能都将走一条熟悉的、按照性价比标准替代的定制化需求之路。




03挑战与机遇并存

当然,尽管有着明确的目标和不断积累的市场推动力,国产FPGA仍不可避免的面临诸多挑战。

FPGA生命周期一般只有10~15年,快速迭代的特征使其收入往往在第4-5年时达到高峰,60%收入在前6年发生,随后是量价齐跌的市场。

因此,市场玩家必须抢占制程的“制高点”,否则往往无法取得足够的收入以支撑下一代产品的开发。

目前全球容量最大的FPGA为Xilinx在2023年6月27日推出的VP1902,逻辑单元数高达18,507k,中国大陆容量<500K,这方面,国产厂商与海外巨头仍存在较大差距。

此外,从毛利率看,目前国产 FPGA 集中于在消费电子领域进行中低容量的替代,相比大容量 FPGA 市场的进入壁垒相对较低,也出现了一定程度的“内卷”,典型毛利率在 35%-40%之间。

而 Xilinx 在高端 FPGA 市场竞争优势突出,近 10 年毛利率基本维持在 65%以上,近 3 年更是接近 70%。

这也意味着包括安路科技等在内的诸多企业都面临盈利能力的不确定性。

据安路科技财报,公司主要从事FPGA、FPSoC芯片以及专用EDA软件等产品的研发、设计和销售,但其市盈率显示亏损,意味着短期内盈利能力较为薄弱。

除此之外,FPGA 的生态系统包括 EDA 工具、IP 核、开发板等多个方面。

国产 FPGA 的生态系统相对不够完善,EDA 工具都尚且在发育周期中,可用的 IP 核资源也相对较少,这都会影响了国产 FPGA 、甚至是特定企业的开发效率和应用范围,也必将成为各家下一步竞争的高地。基于此,业内生态的绑定或自研迫在眉睫。

与此同时,国内 FPGA 人才供应相对不足,尤其是中高端人才仍然匮乏。

当下的FPGA实际处在一个充满挑战与机遇的十字路口,中低端市场替代的反面,内卷与掣肘的技术难题才是后续的核心关注点。



04尾声

集成电路行业本就具有明显的周期性特点。

在经历了长时间的高库存、低需求、投资减少以及产能调整后,随着新一代通信技术、人工智能与先进计算、智能网联汽车等领域的快速发展,行业有望逐步迎来复苏。

这其中,FPGA国产化则乘着5G和AI的东风发展起来,但汹涌澎湃的国产化浪潮背后,掘金者们肩上的任务仍有很多。

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