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前言

本文來聊聊目前國內(nèi)FPGA發(fā)展到了什么水平？都有哪些做得比較好的公司？FPGA國產(chǎn)替代所需要考慮哪些因素？

部分內(nèi)容和數(shù)據(jù)參考自網(wǎng)絡(luò)和官方網(wǎng)站，有不對或不準(zhǔn)確的地方，希望能和各位大佬一起探討、學(xué)習(xí)。

FPGA，萬能芯片！以其強大的并行計算能力、功能靈活可定制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、電力、軍工等高速、大數(shù)據(jù)量的領(lǐng)域，以及IC和ASIC設(shè)計前期原型驗證系統(tǒng)。

自1985年由Xilinx的創(chuàng)始人之一Ross Freeman發(fā)明之后，全球90%的FPGA市場一直被國外廠家所占有。

FPGA的市場前景極其誘人，同時門檻也在芯片行業(yè)無出其右。自FPGA被發(fā)明以來，全球約有60多家公司斥資數(shù)十億美元，前赴后繼的嘗試FPGA這塊高地，其中不乏Intel、IBM、TI、Motorola、Philips、TOSHIBA、SAMSUNG這樣的行業(yè)巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國硅谷的四家公司：Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家公司占據(jù)了全球近90%的市場份額，同時也擁有著FPGA領(lǐng)域絕大多數(shù)專利，形成了高不可攀的技術(shù)壁壘。

由于疫情席卷全球，F(xiàn)PGA芯片生產(chǎn)上下游企業(yè)都受到了影響，導(dǎo)致FPGA芯片價格上漲的非常高，一些用量比較大的中低端FPGA產(chǎn)品的價格是原來的幾十倍，而且是處于有價無市的狀態(tài)！一些高端、高性能的FPGA芯片價格反而不那么貴，果然還是市場決定價格！

02

有哪些國產(chǎn)FPGA廠商？

雖然FPGA芯片行業(yè)有極高的技術(shù)壁壘，但我國一直沒有停止對FPGA技術(shù)的探索，從逆向設(shè)計到自主研發(fā)，從軍工領(lǐng)域到市場廣闊的工業(yè)、民用領(lǐng)域。

目前主流的FPGA廠商主要有以下幾家公司，產(chǎn)品基本應(yīng)用于通信、工業(yè)、軍工、消費電子領(lǐng)域。

1.紫光同創(chuàng)（深圳）

https://www.pangomicro.com/

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

Titan系列

高速、高性能。Titan系列是中國第一款國產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)千萬門級高性能FPGA產(chǎn)品，174K等效LUT4單元，最高頻率500MHz，5.0Gbps SERDES接口，800Mbps DDR3和LVDS，PCIe Gen2x4，適用于通信網(wǎng)絡(luò)、信息安全、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

Logos系列

高性價比。全新LUT5結(jié)構(gòu)，集成RAM、DSP、ADC、SERDES、DDR3等豐富的片上資源，支持多種標(biāo)準(zhǔn)IO，LVDS、MIPI接口等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、消費類等領(lǐng)域，是大批量、成本敏感型項目的理想選擇。

Compact系列

CPLD產(chǎn)品，低功耗、低成本。Compa系列CPLD產(chǎn)品，低功耗、低成本、小尺寸，支持MIPI、LVDS、I2C、SPI、OSC、RAM、PLL等，用戶IO高達(dá)383個，支持3.3/2.5V內(nèi)核、或1.2V低電壓內(nèi)核，適用于系統(tǒng)配置、接口擴展和橋接、板級電源管理、上電時序管理、傳感器融合等應(yīng)用需求。

紫光同創(chuàng)的FPGA產(chǎn)品軟硬件生態(tài)比較好，芯片文檔手冊、評估板與下載器、EDA軟件與License、IP核資源、線下培訓(xùn)、大學(xué)計劃、比賽贊助等等做得都很不錯。

下圖為紫光同創(chuàng)和黑金動力社區(qū)聯(lián)合出品的開發(fā)板：

2.安路科技（上海）

http://www.anlogic.com/

FPGA共有兩大系列：SALEAGLE和SALELF系列

SALEAGLE系列

分為兩個產(chǎn)品型號：EG4和AL3。

EG4：19600個 LUT，55nm工藝，靜態(tài)功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO，用戶IO數(shù)量71到193個，片上8位ADC，1M采樣率，8通道輸入。

AL3：8640個 LUT，65nm工藝，靜態(tài)功耗最低4mA，用戶IO數(shù)量從60到184個，豐富的DSP、BRAM、高速差分IO等資源，強大的引腳兼容替換性能。

SALELF系列

小精靈系列FPGA，共有3代產(chǎn)品，單芯片方案，即時啟動，無需要外部Flash，支持OTP模式，55nm工藝，部分產(chǎn)品型號內(nèi)嵌硬核MCU。

安路科技還自主研發(fā)了FPGA集成開發(fā)環(huán)境——TangDynasty(TD)，支持標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計輸入方式，完整的電路優(yōu)化流程以及豐富的分析與調(diào)試工具，并提供良好的第三方設(shè)計驗證工具接口，為所有基于安路科技FPGA產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計提供有力支持。

3.高云半導(dǎo)體（廣州）

http://www.gowinsemi.com.cn/

FPGA產(chǎn)品主要有兩個系列：晨曦系列和小蜜蜂系列。

晨熙系列

55nm SRAM工藝，具有高性能的 DSP 資源，高速 LVDS 接口以及豐富的 B-SRAM 存儲器資源，適用于高速低成本的應(yīng)用場合。

小蜜蜂家族

低功耗、低成本、瞬時啟動、高安全性的非易失性可編輯邏輯器件。包括SoC產(chǎn)品和非SoC產(chǎn)品，SoC產(chǎn)品內(nèi)嵌 ARM Cortex-M3硬核處理器，GW1NS系列產(chǎn)品內(nèi)嵌 USB2.0 PHY、用戶閃存以及 ADC 轉(zhuǎn)換器。

SoC產(chǎn)品實現(xiàn)了可編程邏輯器件和嵌入式處理器的無縫連接，兼容多種外圍器件標(biāo)準(zhǔn)，可大幅降低用戶成本，可廣 泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、物聯(lián)網(wǎng)、伺服驅(qū)動、消費等多個領(lǐng)域。

GW1NRF系列藍(lán)牙 FPGA器件，以 32 位硬核微處理器為核心，支持藍(lán)牙 5.0 低功耗射頻功能，具有豐富的邏輯單元、內(nèi)嵌 B-SRAM 和 DSP 資源，IO 資源豐富，系統(tǒng)內(nèi)部有電源管理模塊和安全加密模塊。

4.復(fù)旦微（上海）

http://www.fmsh.com

復(fù)旦微是國內(nèi)FPGA領(lǐng)域技術(shù)較為領(lǐng)先的公司之一，目前已可提供千萬門級FPGA芯片、億門級FPGA芯片以及嵌入式可編程器件（PSoC）共三個系列的產(chǎn)品。復(fù)旦微的億門級FPGA芯片，基于28nm工藝制程，采用業(yè)內(nèi)先進(jìn)的CMOS工藝，是國內(nèi)最早研制成功的億門級FPGA芯片，且目前已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)銷售。

復(fù)旦微于2019年推出自主研發(fā)致力于完整可編程器件開發(fā)流程的工具軟件Procise，是國內(nèi)FPGA領(lǐng)域首款超大規(guī)模全流程EDA設(shè)計工具，其界面友好、功能強大且簡單易用，但由于推出時間較賽靈思的Vivado晚，版本迭代次數(shù)相對較少，開發(fā)工具各項功能及可用IP庫還需進(jìn)一步完善。

公司也在積極開發(fā)新一代14/16nm工藝制程10億門級產(chǎn)品的開發(fā)，同時結(jié)合CPU、AI技術(shù)，在國內(nèi)率先開發(fā)PSoC芯片，拓展新的戰(zhàn)場，保持公司在國產(chǎn)FPGA技術(shù)上的領(lǐng)先地位。

但相比行業(yè)龍頭賽靈思截至2021年4月的營收31.48億美元，公司2020營收僅為1.53億元，在經(jīng)營規(guī)模上仍有較大差距。

下圖是基于復(fù)旦微FMQL45T900芯片的開發(fā)板，可替代Xilinx ZYNQ FPGA 7045，集成FPGA和四核ARM Cortex-A7。

5.智多晶（西安）

http://www.isilicontech.com/

共分為3個系列：Seagull 1000，Seagull 2000和Seagull 5000系列。

Seagull 1000系列

64、128、256邏輯單元可選，0.162um工藝，最大頻率Fmax=322MHz

Seagull 2000系列

5K、12K、25K邏輯單元可選，低功耗55nm工藝，內(nèi)置硬核DSP，內(nèi)置 Flash，LVDS最高發(fā)送速率可達(dá)840Mbps，接收速率可達(dá)875Mbps，支持400Mbps DDR2 SDRAM接口，支持MIPI，接口速率高達(dá)1.2Gbps，支持常見的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO標(biāo)準(zhǔn)。

Seagull 5000系列

30K 至 325K 邏輯單元的器件，多達(dá) 500 個用戶IO，LUT6結(jié)構(gòu)，先進(jìn) 28nm 銅 CMOS 工藝，最大頻率500MHz，硬件乘法器，LVDS 接口高達(dá) 1.6 Gbps，嵌入式硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器。

6.京微齊力（北京）

http://hercules-micro.com/

共分為：HME-R（河）、HME-M（華山）、HME-P（飛馬）和HME-H（大力神）4個系列。目前已經(jīng)全面實現(xiàn)65/55/40nm量產(chǎn)，2022年開始22nm規(guī)模量產(chǎn)。

HME-R系列

低功耗、高性價比，40nm工藝，LUT4結(jié)構(gòu)，邏輯容量為1-3K，主要面向低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，內(nèi)嵌存儲器，最小支持1.5mmx1.5mm封裝。

HME-H系列

集成ARM Cortex-M3硬核控制器和高性能FPGA，ARM核最大時鐘300MHz，邏輯性能最大200MHz，硬核形式整合以太網(wǎng)、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外設(shè)，能夠滿足不同應(yīng)用場合的“可定制可重構(gòu)可編程”設(shè)計需求，實現(xiàn)了FPGA的SoC化。

HME-P系列

TSMC 40nm CMOS工藝，全新的LUT6結(jié)構(gòu)，6.5Gbps Serdes高速I/O，1333M bps硬核DDR2/3控制和PHY，高速AXI、PCIe、DDR2/3硬核IP，面向需要高速率高性能大容量的FPGA市場。

HME-H系列

集成高性能FPGA、增強型MCU和MIPI接口的智能型視頻橋接器件，增強型8051 MCU，內(nèi)嵌DSP單元，主要面向視頻處理領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于手機、平板、可穿戴、VR、AR、無人機和智能家居等市場。

FX-伏羲軟件是京微齊力自主研發(fā)的一款EDA軟件，可以進(jìn)行FPGA和SoC應(yīng)用設(shè)計，還可以支持其他常用的第三方設(shè)計工具進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。友好的圖形化用戶界面，豐富的IP，支持命令行操作，支持遠(yuǎn)程下載編程，比特率加密，片上調(diào)試等等。

國內(nèi)的FPGA廠商還處于發(fā)展期，市場占有率和營收規(guī)模還比較有限，但是可以說是國家的希望和未來。

03

國產(chǎn)替代需要考慮的因素

對于國內(nèi)這么大的FPGA市場，如果要進(jìn)行FPGA國產(chǎn)化方案替代，以下幾個因素是需要考慮的：

1.工藝制程、門級規(guī)模、SerDes速率

這3個參數(shù)，也是衡量FPGA基本性能的重要指標(biāo)，工藝制程直接影響芯片的功耗、性能和成本，如果功耗過大，那么在硬件設(shè)計時就需要考慮電源的功率和散熱問題。制程同樣也影響著門級規(guī)模，越高的制程工藝，那么在同樣面積大小的晶圓上就可以做出更大規(guī)模的門級電路，當(dāng)然也具有更大的設(shè)計空間。SerDes的傳輸速率，則影響FPGA在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸、處理時的性能。

以市場占有率較高的Xilinx為例，最新的UltraSCALE+系列FPGA芯片的制程工藝已經(jīng)達(dá)到了16nm，而國產(chǎn)FPGA廠商的大多產(chǎn)品還是28nm工藝。

2.可靠性、穩(wěn)定性和一致性

FPGA通常應(yīng)用在一些需要高速、實時處理的場景，可靠性、穩(wěn)定性極為重要。芯片在不同溫度、濕度、震動、鹽霧等環(huán)境下的性能表現(xiàn)？芯片的壽命能使用多久？每顆芯片的性能參數(shù)是否在一定范圍內(nèi)保持一致？這些都是需要在進(jìn)行國產(chǎn)化替代時，需要考慮的問題。

3.兼容芯片的兼容性和知識產(chǎn)權(quán)問題

國產(chǎn)FPGA是從逆向設(shè)計轉(zhuǎn)到自主研發(fā)的，有的國內(nèi)FPGA廠商提供有完全兼容Xilinx、Altera部分型號的FPGA芯片，對于這類產(chǎn)品，需要考慮FPGA硬件和軟件的兼容性。

硬件方面，是Pin對Pin兼容，可以無需修改電路直接替換，還是需要做一些改動，比如高速接口的阻抗匹配、走線長度等等。

軟件方面，需要考慮開發(fā)工具的兼容性，比如FPGA開發(fā)、調(diào)試、下載工具，MCU開發(fā)工具，IP核和RTL級代碼、原語的兼容性等等，是否需要在原來的開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)上安裝額外的補丁包來適配。

另外，如果你的產(chǎn)品需要出口到國外地區(qū)進(jìn)行銷售，使用兼容型號的FPGA芯片，可能會涉及到知識產(chǎn)權(quán)問題，要和芯片廠商溝通確認(rèn)。

4.自研芯片的生態(tài)

如果是完全自主研發(fā)的FPGA芯片，需要考慮芯片的生態(tài)，包括開發(fā)圖形化EDA開發(fā)工具的使用，對第三方工具的支持，如Modelsim，是否支持Verilog/VHDL混合編程，提供的IP核的豐富程度，開發(fā)板，芯片手冊/應(yīng)用文檔等。

5.性價比、貨源

芯片的性價比是極為重要的一個因素，相比于Xilinx和Altera，如果同等性能的芯片，國產(chǎn)FPGA芯片有價格優(yōu)勢，我相信很多用戶會選擇進(jìn)行國產(chǎn)替代。

從設(shè)計角度來考慮，還需要看這款芯片的電源要求、外圍電路、阻抗走線、封裝等是否是常用的設(shè)計要求。

從供應(yīng)鏈角度，需要考慮這款芯片的供貨穩(wěn)定性、供貨周期等多個因素。

04

總結(jié)

相比于Xilinx、Altera等FPGA巨頭，國內(nèi)FPGA研發(fā)起步較晚，但差距在逐漸縮小，和頭部廠商的差距已經(jīng)由三代縮短到兩代。在當(dāng)前國家對芯片行業(yè)的大力支持下，以及FPGA在5G和AI領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這些現(xiàn)狀對于國產(chǎn)FPGA廠商來說，是一個難得的機遇。

審核編輯 ：李倩