FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,它由输入/输出块、可配置逻辑块和可编程互联三部分组成,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能,因此FPGA的使用非常灵活。它可以应用在航空航天/国防、消费电子、工业、通信、数据中心、汽车、医疗、嵌入式视觉和测试测量等领域。
据MRFR统计2018年全球FPGA市场规模为60亿美元左右,随着AI+5G的应用逐步展开,其市场规模有望在2025年达到125亿美元,年复合增长率为10.22%。其中在亚太地区,尤其是在中国,由于新兴基础建设应用的铺开,FPGA的复合增长率有望高于其他地区,成为FPGA重要的增量市场。
图1:2013年~2025年全球FPGA市场规模。(单位:百万美元。数据来源:MRFR)
因此,对FPGA厂商来说,接下来几年是一个重要的发展时期。除了被Intel收购的Altera属于IDM外,其他FPGA厂商多以Fabless模式运营,目前最先进的是由Xilinx推出,台积电(TSMC)制造的7nm工艺FPGA。
在市场份额方面,主要还是欧美厂商为主,其中Xilinx和Intel两家合计占了市场的72%。国产FPGA虽然发展多年,但由于FPGA软件开发难度大,需要先进的制造、封测工艺、IP多且杂,因此国产FPGA的发展存在严重滞后。
不过近几年来,我国加速了FPGA的国产化进程,无论是企业、政府,还是资本都在支持国产FPGA的发展;加上在AI、IoT、5G快速发展的推动下,我国将有庞大的FPGA增量市场。因此,国产FPGA厂商此时切入可以说是最佳时期。
以小博大,安路科技的生存之道
虽然国产FPGA在市场中的占比不多,但参与的厂商其实不少,比如上海安路信息科技有限公司(简称“安路科技”)就是其中之一。这两年推出的ELF(精灵)系列产品颇受市场好评, 严格地说ELF系列产品还不算FPGA,应该是属于CPLD产品。
图2:上海安路信息科技有限公司副总经理梁成志
上海安路信息科技有限公司副总经理梁成志在接受<电子发烧友>的采访时表示安路科技目前的产品规划有高端Phoenix(凤凰)、中端Eagle(猎鹰)和低端的ELF(小精灵)三个系列产品。
据梁成志透露,目前安路科技每个月的出货量为上百万颗,其中最多的还是ELF系列产品。
图3:安路科技FAE总监郭喜林
安路科技FAE总监郭喜林表示,安路科技的策略是先从小处着手,逐步扩大到复杂的FPGA产品。因为ELF系列产品属于CPLD,产品不算很复杂,客户的代码量也不是很多,“我们更容易掌握,把产品做得更可靠。以后客户接受了,就会提出更高规模FPGA产品的需求。”
在梁成志看来,目前阶段,对国内FPGA厂商来说,最重要的还是替代市场,因此安路科技现在走的是管脚兼容路线,客户可以不改PCB,降低客户的替换时间和成本。但未来还是会考虑切入高端市场,做更多差异化新产品出来。
据悉,安路科技将会在2019年年底推出Phoenix系列产品PH5-100K,该产品将会采用28nm工艺制造。
“多驾马车拉动”,安路科技的发展之道
与其他几家国内FPGA厂商只专注有限的一两个领域应用不同,安路科技从一开始就瞄准了多个应用领域,且都开始站稳脚跟。其推出的产品也基本都满足工业级应用标准。
“目前,我们的产品在消费、工业和通信领域都有应用,我们是多驾马车共同拉动,共同增长。”梁成志兴奋地对<电子发烧友>表示。
图4:ELF3在LED显示屏控制系统中的应用
在7月10日深圳举办的技术研讨会上,安路科技重点介绍了其今年推出的ELF3系列产品。ELF3系列产品采用了低功耗55nm工艺设计、片内集成配置Flash、无需外接配置芯片、使用安路科技自主专利LUT4/5混合逻辑架构、最大容量型号EF3L90具有9K等效逻辑单元、336个用户IO、270Kbits BRAM容量、16个DSP、1Gbps高速LVDS接口,支持双启动和多重启动功能等功能。
图5:ELF3在安防监控系统中的应用
同时,安路科技FAE总监郭喜林在研讨会上介绍了ELF3在不用应用领域的应用情况。他重点介绍了ELF3在LED显示屏控制系统、安防监控系统、工业控制系统、通信系统、无人机、3D打印机等领域的领用。
图6:ELF3在工业数控控制系统中的应用
郭喜林重点提到了ELF3的优势,包括单电源供电、电路简洁、占用PCB面积小;上电快速启动,可控制系统的上电、复位等顺序等;具有2个PLL,16路全局时钟,典型工作频率为100~200MHz,可实现更高逻辑性能;64位DNA,支持位流AES加密;双启动和多启动功能可支持安全可靠的远程升级。
图7:ELF3在通信领域中的应用
软硬件协同发展
谈到国产FPGA厂商发展遇到的困难时,郭喜林表示,一是技术门槛高,核心技术掌握在国外少数的几家公司手上,其中Xilinx和Intel两家就握有8000多项专利,对后进者形成了很高的技术壁垒;二是国内FPGA研发人员少,而且国内可供FPGA集成的IP还不够丰富;三是FPGA与其他芯片不一样的地方是,厂商必须要自己同时开发硬件及其配套软件;四是客户接受度问题,由于使用了FPGA的产品开发周期一般都比较长,“一旦客户的产品成熟了之后,就算你的FPGA性价比更高,他也不一定会换,因为重新开发的投入会很大。”
研讨会上,安路科技还重点介绍其软件开发工具Tang Dynasty(TD4.5)。该款软件是安路科技自主开发的从HDL描述到最终位流下载和片上调试的完整系统,为安路科技所有FPGA芯片产品系列提供简洁可靠的应用设计开发环境。
TD软件系统采用基于统一数据库的层次化设计,核心优化引擎采用创新的设计自动化技术,主体流程是性能驱动的逐步精确迭代优化进程。TD软件系统支持工业界标准的设计输入描述,提供良好的第三方设计验证工具接口。能够帮助客户实现HDL2BIT流程、用户约束、IP生产、时序分析、下载位流和设计调试等主要功能。
【总结】
目前国内FPGA厂商有不少,比如上海安路、上海复旦微、紫光同创、京微齐力、高云半导体和西安智多晶等,不过同国际领先厂商相比,国产FPGA产品不论从产品性能、功耗、功能上都有较大差距。
虽然有差距,但国产FPGA厂商正在迎头赶上,据熟悉安路情况的人士估计,今年安路产值可能在3000万美元左右。据目前的市场情况来看,应该不难完成,因为最近的国际贸易摩擦,很多企业都有替换的需求,而且已经有多家企业增加了采购量。也就说今年安路科技有可能会实现爆发式增长。
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