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2019-04-18 11:21:07     来源:半导体行业观察

在英特尔于最近发布10纳米Agilex,加上Xilinx早前推出7nm ACAP平台之后,FPGA两大龙头已经不约而同跨入了一个不同的世代。这种不同不仅体现在他们的工艺进程迈进了更先进的工艺,更体现在现在的FPGA已经不再是单纯的FPGA了。更重要的一点,他们在FPGA市场进一步拉开了与后续追赶者的差距。


而对于国内的厂商来说,如何规划FPGA的未来发展路线,就显得尤为重要。


龙头Xilinx和Intel的新布局


自Xilinx在1984年发明FPGA以来,这种拥有可编程特性的逻辑器件凭借性能、上市时间、成本、稳定性和长期维护方面的优势,在通信、医疗、工控和安防等领域占有一席之地, 但进入近年,随着人工智能、云计算和高性能计算的兴起,FPGA所瞄准的市场也有了不同的变化,这也吸引了领先的Xilinx和Intel(收购Altera进入FPGA市场)两大供应商的虎视眈眈,Xilinx则是最先出招的。


在2018年三月,Xilinx推出了他们的7nm 的ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform,自适应计算加速平台)平台。


据官方介绍,ACAP 是一个高度集成的多核异构计算平台,能根据各种应用与工作负载的需求从硬件层对其进行灵活修改。其核心是新一代的 FPGA 架构,结合了分布式存储器与硬件可编程的 DSP 模块、一个多核 SoC 以及一个或多个软件可编程且同时又具备硬件自适应性的计算引擎,并全部通过片上网络(NoC)实现互连。此外,ACAP 还拥有高度集成的可编程 I/O 功能,根据不同的器件型号这些功能从集成式硬件可编程存储器控制器,到 超高速SerDes收发器技术,以及 RF-ADC/DAC 和集成式高带宽存储器(HBM)。

国内的厂商如何规划FPGA未来发展路线?

Xilinx ACAP


当年十月,Xilinx带来了其7nm工艺ACAP平台第一款产品Versal。据了解,这是第一个将软件可编程性与特定领域硬件加速和灵活应变能力相结合的平台,产品组合包括 6 个系列的器件,其独特架构针对云端、网络、无线通信乃至边缘计算和端点等不同市场的众多应用提供了可扩展性和 AI 推断功能,能为所有的应用提供强大的异构加速功能。


上个月,英特尔也发布了其10nm的Agilex。


据介绍,英特尔 AgilexFPGA 家族采用异构 3D 系统级封装 (SiP) 技术,集成了英特尔首款基于 10 纳米制程技术的 FPGA 架构和第二代英特尔 HyperFlex FPGA 架构,可将性能提升多达 40%,将数据中心、网络和边缘计算应用的功耗降低多达 40%。另外,英特尔 Agilex SoC FPGA 还集成了四核 Arm Cortex-A53 处理器,可提供高系统集成水平。

国内的厂商如何规划FPGA未来发展路线?

Intel Agilex


英特尔Agilex家族还将模拟、内存、自定义计算、自定义I/O,英特尔eASIC和FPGA逻辑结构集成到一个芯片封装中。利用带有可复用IP的自定义逻辑连续体,英特尔为客户提供了从FPGA到结构化ASIC的迁移路径。一个API提供软件友好型异构编程环境,支持软件开发人员轻松发挥FPGA的优势实现加速。


这两个厂商在发布的时候,无一不谈到了人工智能、边缘计算和数据中心这些关键字,这也将是他们这些头部玩家说聚焦的关键点。


FPGA市场和技术的新变化


FPGA最近几年正在面临一些新的变化。


首先从市场方面看。在FPGA被发明出来之后的早期发展阶段,市场上涌现出了不少的FPGA开发商。经过多年的兼并发展后,FPGA市场呈现了Xilinx和Altera平分秋色,Lattice和Actel则在暗中抢占市场份额。另外,还有如Achronix和Tabula等FPGA初创企业伺机抢食的局面。


但这种局面在Altera于2015被Intel斥资167亿美元收购以来彻底改变。


众所周知,先进工艺对FPGA是非常重要,谁先来到一个新的工艺节点,谁就能占据很大的优势,这会带来高人一筹的设计,市场份额随之增加。而Xilinx自从在28nm工艺的时候从UMC转向TSMC之后,并在这个节点上领先Altera之后,这坚定了他们的信心。在20nm的时候,Xilinx更进一步,拉大和Altera的差距。


反观Altera,在被Intel收购之后转向了IDM巨头的14nm工艺,但却导致了Altera被推迟,但竞争对手Xilinx却在TSMC 16nm的帮助下,建立起大幅度领先的优势。虽然后来Intel在14nm FPGA上表现不赖,也新近发了10nm的Agilex。但我们可以看到,Xilinx凭借先发优势,已经拿下了很多市场。从股价上看,在英特尔收购Altera之前,Xilinx的股价相对停滞,但目前它的股价是Altera被收购前的数倍。

国内的厂商如何规划FPGA未来发展路线?

Xilinx从2013年到现在的股价走势


我们也可以看到,在Altera被收购之后,还有两家FPGA厂商也获益不少:


2010年MicroSemi以4.3亿美元收购了Actel,但这两家企业最初的整合有点坎坷,但现在的Actel现在是MicroSemi的领先的可编程产品,去年MicroSemi被MicroChip以83亿美金收购;


2017年,Canyon Bridge(一家中国支持的私募股权公司)计划以13亿美元(合每股8.30美元)收购Lattice Semiconductor,这笔交易在引发美国国防部官员担忧后被否定。到2019年,独立运营的Lattice Semiconductor仍在飞速发展,其股价已超过每股13美元。

国内的厂商如何规划FPGA未来发展路线?

Lattice从2015年到现在的股价走势


至于其他初创公司,尤以获得英特尔投资和制造协议的Achronix表现最为出色。他们最初以英特尔的22nm工艺起步,但为了与Xilinx竞争,公司迁移到台积电的16nm和7nm工艺,这也帮助他们在2018年获得了过亿美元的营收。


来到技术方面,京微齐力创始人王海力告诉半导体行业观察记者,现在的FPGA已经从单一的逻辑,发展成为丰富内涵的系统上的逻辑,技术内涵越来越大,包括的东西越来越多,厂商也把CPU、GPU、AI、ASIC、memory和高带宽的I/O都囊括进去了,FPGA开始成为集大成者。


王海力指出,在这种系统高度整合的发展趋势下,同时得益于先进工艺(如10nm及以下)技术的推动下,如果FPGA厂商只做pure的FPGA,意义并不大,尤其是在5G通信,人工智能和数据中心领域等新兴应用领域。在他看来,单纯追求逻辑资源(LUT)的规模,已经不再是FPGA未来的发展重点。未来的FPGA会集成越来越多的异构单元,在先进节点上实现强大的计算内力与性能、超高的存储带宽能力和I/O处理能力,当然同时也带来更高成本和功耗的挑战。


此外,王海力也表示,从Xilinx后续的布局看,FPGA厂商对软件方面的投入是非常巨大的,除了工具EDA内核(综合,布局布线)外,还包括各种面向应用的编译器,仿真模型,加速模型和适配器,软件处理的能力也越来越大。


“FPGA公司开始逐渐转型成为一个面向应用的‘软件’公司,更重视软件的处理能力,以及快速构建并处理应用生态的能力,这是一种不可逆的趋势”,王海力说。


国产FPGA该如何发展


毫无疑问,现在的FPGA依然是国外厂商的天下。


据国盛证券研究所显示,FPGA市场高度集中,行业前五则占据了全球约为88%的市场份额,而Xilinx和Altera(已被Intel收购)两家则合计占据超过70%的市场空间。

国内的厂商如何规划FPGA未来发展路线?

2017年FPGA市场的份额


但一方面,据行业分析师称,得益于云端的AI需求的增加,物联网、移动设备、汽车和高级驾驶员辅助系统(ADAS)以及无线网络(5G)的增长,预计FPGA的市场规模将从2017年的60亿美元上升到2026年将接近120亿美元,年复合年增长率为7%;另一方面,国内还有国产替代的需求。在这两个因素的推动下,国内涌现出了京微齐力(已收购京微雅格)、广东高云、上海安路、紫光同创、西安智多晶和上海AGM等一大批专注于消费、显示、工控等市场的国产厂商投身其中,还有其他如58所、772所、深圳国微、成都华微和复旦微,其中有做到28nm FPGA芯片供军工市场使用。


不过从现状看来,虽然国产FPGA厂商一直有加大投入,但随着Xilinx和Intel先后推出的大杀器之后,国内厂商与FPGA头部两家公司的差距其实正在进一步拉大。王海力也表示,国外厂商已经在进一步加大系统整合和软件部署能力,但我们国产FPGA还主要集中在解决基础EDA软件工具和丰富产品线这两方面的工作。


从FPGA技术方面,首先看制程方面,如上所述,Xilinx已经跨进了7nm时代,但现在国内的厂商主要还停留在40nm产品层面。虽然这些厂商也都在进攻28nm,但据了解,他们要到今年下半年或明年上半年才会陆续推出相关产品,而量产则需要到明年下半年甚至后年上半年才能逐步实现。


但王海力也表示,我们国产FPGA正在拉近与Lattice等厂商的距离,国产FPGA也正在逐步吞噬Lattice和一部分小容量的Xilinx/Intel的市场和客户。替代10K/20K逻辑处理和CPLD市场,在LED显示以及消费屏显等方面,国内客户也开始考虑国内FPGA厂商的芯片与方案。


对于国产FPGA的未来发展,王海则认为,国内厂商仍需坚持走自主可控+自主创新这条路,在FPGA内核、异构计算技术、芯片工艺制程与封装实现、EDA工具链与软件处理能力、以及应用软IP建设等多方面下苦功夫,逐步构建国产FPGA芯片+应用生态圈。当前全球集成电路的发展呈现融合互动、综合竞争、跨越创新的特点,高端FPGA芯片的竞争已不单纯是FPGA芯片自身的竞争,而更多地体现在其芯片基础架构与软件工具与应用渗透上的创新,以及与FPGA芯片协同的上下游产业生态建设上的竞争。每一位国产FPGA从业者任重而道远!

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