國產FPGA的差距被越拉越大

在英特爾於最近發布10納米Agilex，加上Xilinx早前推出7nm ACAP平台之後，FPGA兩大龍頭已經不約而同跨入了一個不同的世代。這種不同不僅體現在他們的工藝進程邁進了更先進的工藝，更體現在現在的FPGA已經不再是單純的FPGA了。更重要的一點，他們在FPGA市場進一步拉開了與後續追趕者的差距。

而對於國內的廠商來說，如何規劃FPGA的未來發展路線，就顯得尤為重要。

龍頭Xilinx和Intel的新布局

自Xilinx在1984年發明FPGA以來，這種擁有可編程特性的邏輯器件憑藉性能、上市時間、成本、穩定性和長期維護方面的優勢，在通信、醫療、工控和安防等領域佔有一席之地， 但進入近年，隨著人工智慧、雲計算和高性能計算的興起，FPGA所瞄準的市場也有了不同的變化，這也吸引了領先的Xilinx和Intel（收購Altera進入FPGA市場）兩大供應商的虎視眈眈，Xilinx則是最先出招的。

在2018年三月，Xilinx推出了他們的7nm 的ACAP （Adaptive Compute Acceleration Platform，自適應計算加速平台）平台。

據官方介紹，ACAP 是一個高度集成的多核異構計算平台，能根據各種應用與工作負載的需求從硬體層對其進行靈活修改。其核心是新一代的 FPGA 架構，結合了分散式存儲器與硬體可編程的 DSP 模塊、一個多核 SoC 以及一個或多個軟體可編程且同時又具備硬體自適應性的計算引擎，並全部通過片上網路（NoC）實現互連。此外，ACAP 還擁有高度集成的可編程 I/O 功能，根據不同的器件型號這些功能從集成式硬體可編程存儲器控制器，到 超高速SerDes收發器技術，以及 RF-ADC/DAC 和集成式高帶寬存儲器（HBM）。

Xilinx ACAP

當年十月，Xilinx帶來了其7nm工藝ACAP平台第一款產品Versal。據了解，這是第一個將軟體可編程性與特定領域硬體加速和靈活應變能力相結合的平台，產品組合包括 6 個系列的器件，其獨特架構針對雲端、網路、無線通信乃至邊緣計算和端點等不同市場的眾多應用提供了可擴展性和 AI 推斷功能，能為所有的應用提供強大的異構加速功能。

上個月，英特爾也發布了其10nm的Agilex。

據介紹，英特爾 AgilexFPGA 家族採用異構 3D 系統級封裝 (SiP) 技術，集成了英特爾首款基於 10 納米製程技術的 FPGA 架構和第二代英特爾 HyperFlex FPGA 架構，可將性能提升多達 40%，將數據中心、網路和邊緣計算應用的功耗降低多達 40%。另外，英特爾 Agilex SoC FPGA 還集成了四核 Arm Cortex-A53 處理器，可提供高系統集成水平。

Intel Agilex

英特爾Agilex家族還將模擬、內存、自定義計算、自定義I/O，英特爾eASIC和FPGA邏輯結構集成到一個晶元封裝中。利用帶有可復用IP的自定義邏輯連續體，英特爾為客戶提供了從FPGA到結構化ASIC的遷移路徑。一個API提供軟體友好型異構編程環境，支持軟體開發人員輕鬆發揮FPGA的優勢實現加速。

這兩個廠商在發布的時候，無一不談到了人工智慧、邊緣計算和數據中心這些關鍵字，這也將是他們這些頭部玩家說聚焦的關鍵點。

FPGA市場和技術的新變化

FPGA最近幾年正在面臨一些新的變化。

首先從市場方面看。在FPGA被發明出來之後的早期發展階段，市場上湧現出了不少的FPGA開發商。經過多年的兼并發展後，FPGA市場呈現了Xilinx和Altera平分秋色，Lattice和Actel則在暗中搶佔市場份額。另外，還有如Achronix和Tabula等FPGA初創企業伺機搶食的局面。

但這種局面在Altera於2015被Intel斥資167億美元收購以來徹底改變。

眾所周知，先進工藝對FPGA是非常重要，誰先來到一個新的工藝節點，誰就能佔據很大的優勢，這會帶來高人一籌的設計，市場份額隨之增加。而Xilinx自從在28nm工藝的時候從UMC轉向TSMC之後，並在這個節點上領先Altera之後，這堅定了他們的信心。在20nm的時候，Xilinx更進一步，拉大和Altera的差距。

反觀Altera，在被Intel收購之後轉向了IDM巨頭的14nm工藝，但卻導致了Altera被推遲，但競爭對手Xilinx卻在TSMC 16nm的幫助下，建立起大幅度領先的優勢。雖然後來Intel在14nm FPGA上表現不賴，也新近發了10nm的Agilex。但我們可以看到，Xilinx憑藉先發優勢，已經拿下了很多市場。從股價上看，在英特爾收購Altera之前，Xilinx的股價相對停滯，但目前它的股價是Altera被收購前的數倍。

Xilinx從2013年到現在的股價走勢

我們也可以看到，在Altera被收購之後，還有兩家FPGA廠商也獲益不少：

2010年MicroSemi以4.3億美元收購了Actel，但這兩家企業最初的整合有點坎坷，但現在的Actel現在是MicroSemi的領先的可編程產品，去年MicroSemi被MicroChip以83億美金收購；

2017年，Canyon Bridge（一家中國支持的私募股權公司）計劃以13億美元（合每股8.30美元）收購Lattice Semiconductor，這筆交易在引發美國國防部官員擔憂後被否定。到2019年，獨立運營的Lattice Semiconductor仍在飛速發展，其股價已超過每股13美元。

Lattice從2015年到現在的股價走勢

至於其他初創公司，尤以獲得英特爾投資和製造協議的Achronix表現最為出色。他們最初以英特爾的22nm工藝起步，但為了與Xilinx競爭，公司遷移到台積電的16nm和7nm工藝，這也幫助他們在2018年獲得了過億美元的營收。

來到技術方面，京微齊力創始人王海力告訴半導體行業觀察記者，現在的FPGA已經從單一的邏輯，發展成為豐富內涵的系統上的邏輯，技術內涵越來越大，包括的東西越來越多，廠商也把CPU、GPU、AI、ASIC、memory和高帶寬的I/O都囊括進去了，FPGA開始成為集大成者。

王海力指出，在這種系統高度整合的發展趨勢下，同時得益於先進工藝（如10nm及以下）技術的推動下，如果FPGA廠商只做pure的FPGA，意義並不大，尤其是在5G通信，人工智慧和數據中心領域等新興應用領域。在他看來，單純追求邏輯資源（LUT）的規模，已經不再是FPGA未來的發展重點。未來的FPGA會集成越來越多的異構單元，在先進節點上實現強大的計算內力與性能、超高的存儲帶寬能力和I/O處理能力，當然同時也帶來更高成本和功耗的挑戰。

此外，王海力也表示，從Xilinx後續的布局看，FPGA廠商對軟體方面的投入是非常巨大的，除了工具EDA內核（綜合，布局布線）外，還包括各種面嚮應用的編譯器，模擬模型，加速模型和適配器，軟體處理的能力也越來越大。

「FPGA公司開始逐漸轉型成為一個面嚮應用的『軟體』公司，更重視軟體的處理能力，以及快速構建並處理應用生態的能力，這是一種不可逆的趨勢」，王海力說。

國產FPGA該如何發展

毫無疑問，現在的FPGA依然是國外廠商的天下。

據國盛證券研究所統計顯示，FPGA市場高度集中，行業前五則佔據了全球約為88%的市場份額，而Xilinx和Altera（已被Intel收購）兩家則合計佔據超過70%的市場空間。

2017年FPGA市場的份額

但一方面，據行業分析師稱，得益於雲端的AI需求的增加，物聯網、移動設備、汽車和高級駕駛員輔助系統（ADAS）以及無線網路（5G）的增長，預計FPGA的市場規模將從2017年的60億美元上升到2026年將接近120億美元，年複合年增長率為7%；另一方面，國內還有國產替代的需求。在這兩個因素的推動下，國內湧現出了京微齊力（已收購京微雅格）、廣東高雲、上海安路、紫光同創、西安智多晶和上海AGM等一大批專註於消費、顯示、工控等市場的國產廠商投身其中，還有其他如58所、772所、深圳國微、成都華微和復旦微，其中有做到28nm FPGA晶元供軍工市場使用。

不過從現狀看來，雖然國產FPGA廠商一直有加大投入，但隨著Xilinx和Intel先後推出的大殺器之後，國內廠商與FPGA頭部兩家公司的差距其實正在進一步拉大。王海力也表示，國外廠商已經在進一步加大系統整合和軟體部署能力，但我們國產FPGA還主要集中在解決基礎EDA軟體工具和豐富產品線這兩方面的工作。

從FPGA技術方面，首先看製程方面，如上所述，Xilinx已經跨進了7nm時代，但現在國內的廠商主要還停留在40nm產品層面。雖然這些廠商也都在進攻28nm，但據了解，他們要到今年下半年或明年上半年才會陸續推出相關產品，而量產則需要到明年下半年甚至後年上半年才能逐步實現。

但王海力也表示，我們國產FPGA正在拉近與Lattice等廠商的距離，國產FPGA也正在逐步吞噬Lattice和一部分小容量的Xilinx/Intel的市場和客戶。替代10K/20K邏輯處理和CPLD市場，在LED顯示以及消費屏顯等方面，國內客戶也開始考慮國內FPGA廠商的晶元與方案。

對於國產FPGA的未來發展，王海則認為，國內廠商仍需堅持走自主可控+自主創新這條路，在FPGA內核、異構計算技術、晶元工藝製程與封裝實現、EDA工具鏈與軟體處理能力、以及應用軟IP建設等多方面下苦功夫，逐步構建國產FPGA晶元+應用生態圈。當前全球集成電路的發展呈現融合互動、綜合競爭、跨越創新的特點，高端FPGA晶元的競爭已不單純是FPGA晶元自身的競爭，而更多地體現在其晶元基礎架構與軟體工具與應用滲透上的創新，以及與FPGA晶元協同的上下游產業生態建設上的競爭。每一位國產FPGA從業者任重而道遠！

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