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FPGA芯片,机遇与挑战并存

深圳宇航军工半导体有限公司 / 2019-09-03 17:50:41

FPGA是一种“通用”芯片,可以先购买再重新设计。现场可编程门阵列(FPGA)现场可编程门阵列(FPGA)是在硅片上预先设计和实现的具有可编程特性的集成电路。可根据设计人员的需要进行配置,明确电路结构,使客户不必依赖芯片制造商设计制造的ASIC芯片。


广泛应用于样机验证、通信、汽车电子、工业控制、航天、数据中心等领域。

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FPGA硬件的三个主要指标:过程、门序列和SERDES速率对支持EDA软件工具同样重要。比较FPGA的产品可以从技术指标开始。从FPGA的内部结构来看,主要包括:可编程输入输出单元(I/O)、可编程逻辑块、完整的时钟管理、嵌入式块RAM(BRAM)、布线资源、嵌入式底层功能单元和专用硬件模块。


根据销售披露的数据,一个lut6相当于1.6个lcs,一个lc相当于数十到数百个“门”,1000万相当于100000个lcs,即100 k clb级fpgas。与ASIC不同,客户在选择和购买FPGA产品时不仅要考虑硬件参数,还要考虑支持EDA软件的性能。


目前,国内厂商的高端产品与销售的高端产品在硬件性能指标上存在较大差距。与ASIC相比,FPGA有三个优点:


1。可编辑,更灵活


2。产品上市时间短,节省了ASIC流周期


避免一次性工程造价,在用量小时具有成本优势。


1。灵活性:通过对FPGA编程,FPGA可以执行ASIC可以执行的任何逻辑功能。FPGA的独特优势在于它的灵活性,即它可以随时改变芯片的功能。在技术不成熟的阶段,这一特性可以降低产品的成本和风险,特别是在5G初期。


2。上市时间:由于该程序可以直接在购买了FPGA后使用,因此该FPGA解决方案不需要等待三个月到一年的芯片流周期,因此它为企业争取上市时间。


3。成本:FPGA和ASIC的主要区别在于ASIC方案具有固定成本,而FPGA方案几乎没有。当使用量小时,由于不需要一次性支付数百万美元的流媒体成本和ALS,所以FPGA方案的成本低于ASIC方案。o不需要承担流式传输失败的风险。随着使用量的增加,FPGA方案的成本低于ASIC方案。此案的成本优势正在逐渐萎缩。在超过一定的使用量后,由于流媒体产品的数量众多,ASIC方案更具成本效益。


技术趋势:过程迭代推动33年的发展,平台产品是未来


历史:自1985年FPGA发明以来,其容量增加了10000倍以上,速度增加了100倍以上,价格和能耗降低了1000倍以上。在先进的过程迭代驱动下,FPGA的体系结构不断更新。1985年,Xilinx采用2微米工艺推出了世界上第一款FPGA产品XC2064,该工艺由64个逻辑模块和85000个晶体管组成,栅极不超过1000个。与2016年Salings发布的virtex超规模16纳米工艺相比,系统中逻辑单元的最大数量为378万个。该算法的过程迭代提高了运算能力,降低了功耗,减小了芯片面积,提高了FPGA的性能。


Xilinx和Intel相继发布了acap和agilex平台产品。根据Xilinx披露的数据,新平台产品的速度比当前最快的FPGA快20倍,比当前最快的CPU快100倍。该平台面向数据中心、有线网络、5G无线和汽车驾驶辅助应用。从产品进度来看,2019年6月19日Versal AI核心和Versal Prime系列组件小批量发货,预计生产时间为2019年下半年。


技术、专利和人才的高壁垒使得国内替代工作变得困难。


高技术壁垒:一半的集成电路设计公司+一半的软件公司,复杂的硬件结构和低产率,软硬件协作提高了研发难度。


FPGA企业的硬件开发部分属于典型的IC设计企业。与一般的集成电路设计企业不同,由于FPGA的硬件需要与EDA软件一起使用,因此FPGA公司通常需要开发适合自己硬件的EDA软件,因此它也是EDA软件公司的一半。由于现场可编程门阵列的布局和布线的复杂性,使得硬件的设计变得困难。随着软硬件的共同发展,系统工程的难度进一步提高。


核心专利由总公司垄断。国内制造商正在努力克服困难。专利有效期届满可能导致专利权的周转。目前,国外厂商在专利方面具有绝对优势。Xilinx和Altera在FPGA领域拥有近10000项专利,而紫光等国内厂商只有约200项专利,差异很大。未来,随着部分专利的到期和国内厂商新专利的突破,专利的垄断格局可能迎来一个转折点。


半导体产业链本土化程度低,硬件自控过程难以阻断,我国应加强自身建设。从产业链的角度看,硬件产业链的自主性和可控性相对较低,特别是在高端半导体设备和材料领域。未来,推动国内产业链上下游替代过程也将有助于国内FPGA的加速发展。


硬件上游:EDA+IP。用于硬件开发的EDA仍然是Cadence、Synopsys和Mentor图形。IP来源包括外部授权和内部开发。五金下游:发电厂+密封试验。其中,国内厂家主要与台积电、单片机在国际合作、密封与测试、阳光与月光等方面进行合作。


全球63亿美元的市场、锡林克斯和阿尔特拉双寡头垄断


FPGA是大型集成电路工业中的一个小领域。5G和AI为工业增长和国内替代提供了确定性。


随着叠加产业的发展,FPGA的国内市场将很快起飞。根据WSTS数据,2018年全球集成电路市场达到4688亿美元,同期全球FPGA市场约63亿美元,仅占集成电路市场的1.34%。虽然市场规模较小,但未来5G基础设施的全球布局和人工智能技术的持续发展将使其受益。FPGA领域的需求增长具有确定性。随着工业的发展,国内替代过程将进一步加速国内FPGA的发展。根据中国半导体工业协会的数据,2017年国内FPGA市场的国内率低于1%。随着技术的突破,国内的FPGA也将很快起步。


三家外国巨头占全球市场的90%,而国内制造商则暂时落后。FPGA的市场是双头垄断的。西林和阿尔泰分别占全球市场的56%和31%。在中国的FPGA市场,它们分别占52%和28%。由于技术、资本和人才的壁垒以及FPGA大规模生产带来的规模经济,行业领导者的地位相对稳定。国内制造商目前占中国市场的4%左右。未来,随着国内厂商的技术突破,FPGA领域的国内替代可能是一个100亿级的机遇,替代空间广阔。


5g+ai催化产业增长及下游需求


通信、消费电子和汽车是FPGA下游库存的应用场景,市场规模持续增长。与ASIC相比,FPGA的下游应用场景更加丰富,包括ASIC原型设计、汽车、收发器、消费电子、数据中心、高性能计算、工业、医疗、测试/测量、有线/无线通信等。消费电子和汽车是主要的应用场景。2017年,三种场景对FPGA的需求比例达到79.4%,市场规模继续扩大。


应用程序场景将保持分散。ASIC的成本规模经济限制了FPGA应用场景的集中度。FPGA的不可替代性奠定了市场基础。由于ASIC具有明显的规模经济性,当大量使用单芯片产品(通常超过100000个芯片)时,使用ASIC方案将具有成本优势。因此,FPGA的应用场景局限于消费量小、技术不稳定、灵活性要求高的领域。一旦技术成熟,需求释放,终端制造商将具有低成本的优势。为了降低成本,将考虑使用ASIC方案取代FPGA方案。然而,由于FPGA在使用量小、技术不稳定、灵活性要求高的领域中的不可替代性,FPGA的市场基础是稳固的,未来数量的增长主要取决于新技术带来的新周期。


国内FPGA厂商的下游应用场景更侧重于消费类电子产品,未来通信市场的增长值得期待。根据西林克斯的年度报告,在2019财年(财年结束日期为2019年3月30日),其产品终端应用场景和比例分别为通信(36%)、工业航空和国防(28%)、数据中心和密封医疗模拟(20%)、自动移动e广播和消费电子(15%)。由于产品性能相对落后,目前国内FPGA厂商在高端民用领域还没有竞争力,但在LED显示、工业等领域出货量较大。随着国内厂商技术的突破,未来随着通信市场份额的增加,国内FPGA厂商的成长将开始。


随着全球5G浪潮的席卷,FPGA的价格和体积将迅速上升。


作为5G基础设施和终端设备的一部分,5G的全球部署将继续推进,基站、物联网、终端设备和边缘计算的数量将显著增加。通信是FPGA下游应用场景的最大分支。根据MRFR数据,2017年FPGA通信市场达到23.5亿美元,占FPGA应用总市场的40%以上,预计2017-2025年复合年增长率为8%。


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