年度爆火的國產(chǎn) FPGA 芯片

PGA 市場(chǎng)仍由美國三大巨頭 Xilinx（被 AMD 收購）、Altera（被 Intel 收購）、Lattice 主導，占據八成以上的份額。

然而近日，一則國際 FPGA 大廠(chǎng)即將漲價(jià)的消息在行業(yè)內掀起波瀾。

FPGA，漲價(jià)

近日，Altera 宣布為應對市場(chǎng)壓力和運營(yíng)成本上漲，將對部分 FPGA 產(chǎn)品系列價(jià)格進(jìn)行調整，新價(jià)格將于 2024 年 11 月 24 日生效。此次調整旨在確保 Altera 能夠持續提供可靠的產(chǎn)品供應，并保持其強大的 FPGA 解決方案組合，以支持客戶(hù)需求。

調價(jià)產(chǎn)品系列包括：

• Cyclone 10 GX/LP、Cyclone V、Cyclone IV、MAX 10 和 MAX V 系列價(jià)格上調 7%;

• Stratix V、Stratix IV、Stratix III、Arria V、Arria II、Cyclone III、Cyclone II、MAX II 和 EPCQ-A 系列價(jià)格上調 20%。

• AgilexTM 7、AgilexTM 9、Stratix 10、Arria 10 系列價(jià)格上調 10%;

FPGA 芯片缺口，逐步擴大

相較于 CPU、GPU，FPGA 較少為外界所知，其屬于邏輯芯片大類(lèi)。邏輯芯片按功能可分為四類(lèi)芯片，即通用處理器芯片（包含中央處理芯片 CPU、圖形處理芯片 GPU、數字信號處理芯片 DSP 等）、存儲器芯片（Memory）、專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC）和現場(chǎng)可編程邏輯陣列芯片。

與其他三類(lèi)集成電路相比，FPGA 芯片的最大特點(diǎn)是現場(chǎng)可編程性。無(wú)論是 CPU、GPU、DSP、Memory 還是各類(lèi) ASIC 芯片，在芯片制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用戶(hù)無(wú)法對其硬件功能進(jìn)行任何修改。而 FPGA 芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶(hù)可以根據自己的實(shí)際需要，將自己設計的電路通過(guò) FPGA 芯片公司提供的專(zhuān)用 EDA（電子設計自動(dòng)化）軟件對 FPGA 芯片進(jìn)行功能配置，從而將空白的 FPGA 芯片轉化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆 FPGA 芯片均可以進(jìn)行多次不同功能配置，從而實(shí)現不同的功能。

據 Frost&Sullivan 預測，預計 2025 年全球 FPGA 市場(chǎng)規模將超過(guò) 125 億美元，國內市場(chǎng)規模將從 2022 年的 208.8 億人民幣提升至 2025 年的 332.2 億人民幣，三年 CAGR 約 17%。

Susquehanna 分析師 Chris Rolland 曾在報告中指出，FPGA 短缺受影響的主要是網(wǎng)絡(luò )、光學(xué)和電信設備。

FPGA 需求大漲源于 5G 和 AI 的推動(dòng)。在 5G 市場(chǎng)，由于 5G 通信通道數大幅增加，尤其是大規模 MIMO 里的通道數是此前的數倍到數十倍，因此 5G 基站單站的 FPGA 用量就大幅上漲。根據測算，4G 基站單站可能只需要 1—2 塊 FPGA，5G 基站需要 4—5 塊，同時(shí) 5G 基站密度大概是 4G 基站的 1.5 倍。因此，5G 時(shí)代，基站對于 FPGA 的需求量大概就是 4G 時(shí)代的 3 倍以上。

而在 AI 方面，隨著(zhù) AI 和邊緣終端的結合越來(lái)越緊密，ASIC 的弊端開(kāi)始顯現。一般情況下，芯片用量需要達到 10 萬(wàn)片以上，這樣開(kāi)發(fā) ASIC 才能夠有價(jià)值。但在邊緣 AI 領(lǐng)域，大部分市場(chǎng)都達不到這個(gè)芯片用量。這部分需求基本都轉向了 FPGA，通過(guò)對 FPGA 編程，FPGA 能夠執行 ASIC 可執行的任何邏輯功能，并且無(wú)需等待三個(gè)月至一年的芯片流片周期。

具體到市場(chǎng)應用中，不管是汽車(chē)、數據中心、5G 通信和工業(yè)，都對 FPGA 有著(zhù)越來(lái)越多的需求。

當前 FPGA 市場(chǎng)的現狀就是如此，市場(chǎng)空間增速迅猛，然而主要掌握在幾家主要國際 FPGA 芯片公司手中，如今漲價(jià)消息的傳出對于國內 FPGA 市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，或為壓力也或為機遇。

壓力在于，價(jià)格上漲對用到 FPGA 的客戶(hù)來(lái)說(shuō)成本會(huì )大大提高，并且需要提防進(jìn)口產(chǎn)品繼續漲價(jià)或者缺貨的可能性，需要盡快做好備貨準備。

機遇在于，FPGA 芯片的自主化可謂至關(guān)重要。如今，Altera 等公司宣布對 FPGA 產(chǎn)品進(jìn)行漲價(jià)，國內公司對于 FPGA 芯片的多元化供應也產(chǎn)生了強烈訴求。這種現狀恰恰為中國 FPGA 的自主研發(fā)賦予了強大的內在驅動(dòng)力，并開(kāi)辟了廣闊的市場(chǎng)空間。

從目前來(lái)看，國產(chǎn) FPGA 廠(chǎng)商雖在技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品性能及市場(chǎng)份額等方面與國際巨頭尚有一定差距，但近年來(lái)的發(fā)展勢頭不容小覷。

國產(chǎn) FPGA 產(chǎn)品力如何？

目前，主流的國內 FPGA 廠(chǎng)商已從跟蹤研仿國外 FPGA 芯片轉變?yōu)闃嫿ㄗ灾鞫x、自主架構、自主軟件的國產(chǎn) FPGA 生態(tài)體系，且該體系已初見(jiàn)雛形。未來(lái)幾年中國的 FPGA 企業(yè)預計會(huì )從目前的 10 家左右濃縮成 3-4 家，并且這幾家的產(chǎn)品形態(tài)、技術(shù)路線(xiàn)都會(huì )有各自的特點(diǎn)，形成差異化競爭。當前主流的幾家 FPGA 產(chǎn)品線(xiàn)都有些什么特色呢？

目前，國產(chǎn) FPGA 主要參與者有紫光同創(chuàng )、安路科技、復旦微電、高云半導體、易靈思、西安智多晶、京微齊力等。其中前三家為頭部 FPGA 廠(chǎng)商。

紫光同創(chuàng )

業(yè)內人士表示，國內純自主架構做得最好的是紫光同創(chuàng )，于 2013 年成立。當時(shí)紫光國微主攻做國產(chǎn)化，另外專(zhuān)門(mén)拉了一個(gè)團隊出來(lái)成立了紫光同創(chuàng )，并制定了兩大目標：第一，要做全自主研發(fā)的產(chǎn)品；第二，要進(jìn)移動(dòng)通信。經(jīng)過(guò)十多年的努力，紫光同創(chuàng )成為國內供貨量最大的 FPGA 廠(chǎng)商，同時(shí)在產(chǎn)業(yè) FPGA 領(lǐng)域，不管是在技術(shù)、產(chǎn)品成熟度、市場(chǎng)規模，還是商業(yè)化程度上，紫光同創(chuàng )都是國內最領(lǐng)先的。

紫光同創(chuàng )的 FPGA 產(chǎn)品主要分為 3 大系列：Titan、Logos 和 Compa 系列。

其中Titan系列具有高速、高性能的特點(diǎn)。其中Titan-2 系列采用先進(jìn)成熟工藝，支持 SERDES 高速接口、PCIe Gen3、DDR3/4 等高性能模塊和接口，為客戶(hù)提供高性能的可編程解決方案，可廣泛應用于通信、圖像視頻處理、數據分析、網(wǎng)絡(luò )信息安全、儀器儀表等行業(yè)。

Logos 系列具有高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)。Logos 系列 FPGA 采用先進(jìn)成熟工藝和全新 LUT5 結構，集成 RAM、DSP、ADC、Serdes、DDR3 等豐富的片上資源和 IO 接口，具備低功耗、低成本和豐富的功能，為客戶(hù)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案，廣泛應用于工業(yè)控制、通信、消費類(lèi)等領(lǐng)域，是客戶(hù)大批量、成本敏感型項目的理想選擇。

CPLD 產(chǎn)品具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。Compa 系列 CPLD 產(chǎn)品，采用成熟工藝和自主產(chǎn)權體系結構，滿(mǎn)足低功耗、低成本、小尺寸的設計要求，適用于系統配置、接口擴展和橋接、板級電源管理、上電時(shí)序管理、傳感器融合等應用需求，廣泛應用于通信、消費電子、無(wú)人機、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

安路科技

按照產(chǎn)品硬件架構類(lèi)型劃分，安路科技產(chǎn)品類(lèi)型分為 FPGA 芯片和 FPSoC 芯片。其中，FPGA 芯片包括 SALPHOENIX 高性能產(chǎn)品系列、SALEAGLE 高效率產(chǎn)品系列、SALELF 低功耗產(chǎn)品系列。

其中 SALEAGLE 系列分為 SALEAGLE 4 和 AL3 兩個(gè)產(chǎn)品型號。

EG4 是安路科技推出的「獵鷹」系列產(chǎn)品，具有低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分 IO 等資源，強大的引腳兼容替換性能。在工業(yè)控制、通信接入、顯示驅動(dòng)等領(lǐng)域可有效幫助用戶(hù)提升性能、降低成本。

AL3 是安路科技推出的「獵鷹」系列產(chǎn)品，具有低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。豐富的邏輯資源、DSP、BRAM、高速差分 IO 等資源，強大的引腳兼容替換性能。在工業(yè)控制、通信接入、顯示驅動(dòng)等領(lǐng)域可有效幫助用戶(hù)提升性能、降低成本。

SALELF 系列共有 3 代產(chǎn)品 SALELF 2、SALELF 3 和 EF3L15 單芯片方案，即時(shí)啟動(dòng)，無(wú)需要外部 Flash，支持 OTP 模式，55nm 工藝，部分產(chǎn)品型號內嵌硬核 MCU。

2024 年上半年，安路科技新一代現場(chǎng)可編程陣列芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目實(shí)現了多款 PHOENIX 系列新產(chǎn)品規格開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步豐富 28nm 工藝平臺產(chǎn)品矩陣，基于先進(jìn)工藝的高容量高性能 FPGA 芯片正在支持用戶(hù)設計導入；現場(chǎng)可編程系統級芯片研發(fā)項目完成了低功耗 FPSoC 芯片及高性能 FPSoC 芯片研發(fā)，量產(chǎn)型號已應用在視頻圖像和工業(yè)控制等領(lǐng)域，正在支持更多用戶(hù)導入；發(fā)展與科技儲備基金項目實(shí)現了車(chē)規 FPGA 芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，在新型硬件架構、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加速模塊、高性能 IP、EDA 軟件前沿算法、先進(jìn)封裝等技術(shù)領(lǐng)域實(shí)現豐富研發(fā)成果，提升了公司在汽車(chē)電子、數據中心、運算加速等重要領(lǐng)域的技術(shù)積累。

復旦微

復旦微電 2018 年國內首家推出億門(mén)級 FPGA 產(chǎn)品后，持續不斷地推進(jìn)該產(chǎn)品的譜系化，貨架產(chǎn)品逐步的豐富。28nm 億門(mén) FPGA 產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多年推廣，得到了客戶(hù)的認可，產(chǎn)品應用場(chǎng)景也在擴大，并已經(jīng)形成千萬(wàn)門(mén)級 FPGA 芯片、億門(mén)級 FPGA 芯片、十億門(mén)級 FPGA 芯片和嵌入式可編程器件 PSoC 產(chǎn)品系列，覆蓋通信、工業(yè)控制、汽車(chē)電子等高可靠性領(lǐng)域。

當前復旦微電 FPGA 主要是以 28nm 的產(chǎn)品為主。2024 年上半年，公司完成了新一代 PSoC 產(chǎn)品的流片，并積極推動(dòng)新一代 FPGA 和 PSoC 產(chǎn)品的產(chǎn)品化工作，未來(lái)將結合先進(jìn)封裝技術(shù)，在新一代 FPGA 平臺上進(jìn)一步豐富譜系，持續推出更具競爭力的 FPGA、PSoC 以及 FPAI 產(chǎn)品。

總的來(lái)看，目前，國內廠(chǎng)商在低容量 FPGA 技術(shù)上已較為成熟，這些 FPGA 的邏輯單元小于 100k，主要特點(diǎn)是低成本和低功耗，集中在 55nm、40nm 和 28nm 這三個(gè)制程節點(diǎn)。大部分國產(chǎn)廠(chǎng)商在 2019 年及之前就已經(jīng)推出了此類(lèi)產(chǎn)品。在 28nm 的中低容量市場(chǎng)，國內 FPGA 廠(chǎng)商也已經(jīng)推出了成熟的產(chǎn)品。中容量 FPGA 的邏輯單元在 100k-500k 之間，主要應用于無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)、汽車(chē)和國防領(lǐng)域。而 500K 以上的高容量 FPGA 仍是目前國產(chǎn)化的難點(diǎn)。

國產(chǎn) FPGA 廠(chǎng)商的差距與機遇

28nm 生命周期比以往代際更長(cháng)，國產(chǎn)廠(chǎng)商追趕空間更廣。作為典型的數字芯片，FPGA 生命周期一般只有 10～15 年，快速迭代的特征使其收入的頂峰往往發(fā)生在推出之后的第 4～5 年，60% 收入在前 6 年發(fā)生，隨后是量?jì)r(jià)齊跌的市場(chǎng)。因此，市場(chǎng)玩家必須努力競逐制程領(lǐng)先，因為制程落后廠(chǎng)商往往無(wú)法取得足夠的收入以支撐下一代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。而 28nm 生命周期比以往代際更長(cháng)，國內廠(chǎng)商制程在 28-90nm 的產(chǎn)品為主，這無(wú)疑給予了國產(chǎn)廠(chǎng)商更寬廣的發(fā)展空間。

中國大陸FPGA 市場(chǎng)以容量<500K產(chǎn)品為主。目前全球容量最大的 FPGA 為 Xilinx 在 2023 年 6 月 27 日推出的 VP1902（Versal Premium），邏輯單元數高達 18,507k，是國內的 46 倍。雖然在容量上，國產(chǎn)廠(chǎng)商與國際廠(chǎng)商還存在較大差距，但是從中國的市場(chǎng)需求來(lái)看，本土 FPGA 市場(chǎng)目前以容量<500K 產(chǎn)品為主，而這一市場(chǎng)也是當下國產(chǎn)廠(chǎng)商所擅長(cháng)的。

沖高端，也是國產(chǎn)廠(chǎng)商的機遇之一。雖然低端 FPGA 市場(chǎng)規模最大，但是進(jìn)入壁壘相對較低，在位企業(yè)難以產(chǎn)生壟斷性的優(yōu)勢。此外，隨著(zhù)未來(lái) 10 年 FPGA 向 16nm 及更先進(jìn)節點(diǎn)遷移，目前 FPGA 本土廠(chǎng)商需要考慮的是在更先進(jìn)節點(diǎn)占據先發(fā)優(yōu)勢。因此，高端 FPGA 是本土廠(chǎng)商想要快速成長(cháng)所必須進(jìn)入的市場(chǎng)。目前也可以看到廠(chǎng)商們?yōu)榇俗龀龅呐εc投入。目前，國產(chǎn) FPGA 的最先進(jìn)制程達到 14/16nm。例如，2019 年紫光國微官網(wǎng)新聞曾顯示，紫光同創(chuàng )已啟動(dòng)高端 FPGA 的研發(fā)工作。復旦微電于 2021 年開(kāi)啟 14/16nm 產(chǎn)品的研發(fā)，在 2023 年，該公司 1xnm 制程的十億門(mén)級 FPGA 產(chǎn)品完成了小批量試制并進(jìn)行了用戶(hù)試用，且實(shí)現了小規模銷(xiāo)售。

從市場(chǎng)角度來(lái)看，數據中心等高端應用領(lǐng)域，市場(chǎng)空間也極為廣闊。從下游應用看，目前最高端的 FPGA 兩大領(lǐng)域——原型驗證、數據中心加速計算，國產(chǎn)廠(chǎng)商進(jìn)入難度較大。近日，安路科技在回答投資者問(wèn)時(shí)表示，公司 FPGA 產(chǎn)品目前在數據中心領(lǐng)域已有部分應用，但尚未有量產(chǎn)產(chǎn)品直接應用于運算加速領(lǐng)域。

與此同時(shí)，與 CPU、GPU、ASIC 等產(chǎn)品相比，FPGA 芯片具備較高的利潤率。中低密度百萬(wàn)門(mén)級、千萬(wàn)門(mén)級的 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)，其利潤率接近 50%；而高密度億門(mén)級 FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)的利潤率則將近 70%。研發(fā)并制造更為高端的 FPGA 產(chǎn)品，有助于提升國產(chǎn) FPGA 公司整體的收入表現。