突破國外壟斷 本土廠商探索FPGA新路徑

從全球范圍來看，可編程邏輯器件PLD(注：PLD市場包括FPGA和CPLD，其中FPGA占據(jù)85%以上的PLD市場)相對于半導(dǎo)體行業(yè)中其他芯片而言，是一個“小眾”市場。從市場研究公司iSuppli在2012年3月發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，可編程邏輯器件市場估計為52億美元。但根據(jù)另一家國際研究暨顧問機(jī)構(gòu)Gartner對半導(dǎo)體行業(yè)增長趨勢的分析結(jié)果得出，可編程邏輯器件保持著強(qiáng)勁的增長勢頭，在所有芯片種類復(fù)合年均增長率中CAGR位列第一。

四巨頭占據(jù)98%市場 FPGA迎來爆發(fā)期

從Xilinx 27年間的收入曲線可以看出，2011年開始了高速增長，年增長率達(dá)到30%。這也說明，經(jīng)歷了幾年平穩(wěn)發(fā)展的時期，F(xiàn)PGA市場已經(jīng)迎來了全面爆發(fā)的時期。

從可編程邏輯器件領(lǐng)域的玩家可以了解到，這個行業(yè)又是一個高度壟斷的行業(yè)，全球目前只有四家能大規(guī)模量產(chǎn)這類芯片的公司，即賽靈思Xilinx、阿爾特拉Altera、萊迪思Lattice和美高森美Microsemi。同時這些公司都在美國，他們占據(jù)了98%以上的市場份額，申請了將近6000余項(xiàng)專利技術(shù)，形成了技術(shù)壁壘。

以Xilinx為例，根據(jù)Xilinx 2011財年財報顯示，來自通信市場的收入達(dá)到11.05億美元，同比增長29%，占據(jù)了整個Xilinx收入的47%。接下來的分別是工業(yè)控制、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)處理、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。iSuppli在2010年第四季度公布的市場數(shù)據(jù)顯示，截至2014年的5年內(nèi)，ASIC和ASSP市場逐漸向FPGA市場傾斜，從580億美元市場分流120億美元到FPGA領(lǐng)域。在過去10年，ASIC市場份額減少了50%，這部分市場被FPGA行業(yè)成功占據(jù)。而這從Xilinx成立27以來的收入增長就可以看出。1997年，Xilinx收入為5.68億美元，而2011年，其收入達(dá)到了23.69億美元。

從Xilinx 27年間的收入曲線可以看出，2006年至2010年間，其收入基本是保持在一個穩(wěn)定的水平，而2011年卻開始了高速增長，年增長率達(dá)到30%。這也說明，經(jīng)歷了幾年平穩(wěn)發(fā)展的時期，F(xiàn)PGA市場已經(jīng)迎來了全面爆發(fā)的時期。

另外，在全球半導(dǎo)體聯(lián)盟GSA于2013年4月剛發(fā)布的報告中，公布了頂尖20家半導(dǎo)體公司截止到2012年第四季度時的產(chǎn)品毛利率數(shù)據(jù)?？删幊踢壿嬈骷纱髲S商Altera和Xilinx榜上有名，分別以69.7%和66.6%位居前列。由此可得，這個行業(yè)是一個毛利率非常高和高凈利率的行業(yè)。

上述四家FPGA廠商的產(chǎn)品都有其特點(diǎn)，例如Xilinx硬件(器件)性能更優(yōu)異、品種繁多、覆蓋面非常廣;Altera軟件(工具)性能更優(yōu)異、品種也很多、市場覆蓋也很廣;Lattice主要面向低端的低成本器件和低功耗器件領(lǐng)域，但品種有限;Microsemi主要面向軍工產(chǎn)品，擅長以加固技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件高可靠性。

根據(jù)器件發(fā)展歷程以及市場應(yīng)用需求發(fā)展趨勢，F(xiàn)PGA今后仍然主要朝以下幾大方向發(fā)展：第一，高密度、高速度、寬頻帶、高保密;第二，低電壓、低功耗;第三，低成本、低價格;第四，IP核復(fù)用、系統(tǒng)集成;第五，動態(tài)可重構(gòu)及單片集群。這些發(fā)展方向并不相互排斥，從Xilinx和Altera最新發(fā)布的器件來看，他們可能結(jié)合幾種發(fā)展方向上的特點(diǎn)形成功能性能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。

核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán) 考驗(yàn)國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)

國內(nèi)FPGA廠商應(yīng)關(guān)注并解決好內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計問題、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計問題和軟件開發(fā)問題。在可編程邏輯器件里，其內(nèi)核架構(gòu)是知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重點(diǎn)，各公司有超過1/3的專利技術(shù)都是從此角度來申請并進(jìn)行保護(hù)。

面對市場的壓力以及強(qiáng)勁的競爭對手，國產(chǎn)FPGA公司該如何發(fā)展?產(chǎn)業(yè)化之路該如何走?我們國內(nèi)每一位從事該行業(yè)的人員都應(yīng)該問自己這個問題。首先應(yīng)該從核心或關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)以及知識產(chǎn)權(quán)問題角度來思考。

第一，解決具有知識產(chǎn)權(quán)的FPGA內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計問題。其核心架構(gòu)包括：一是基本可編程邏輯單元的設(shè)計，如查找表LUT(Look-Up Table)、寄存器(FlipFlop)和邏輯單元內(nèi)部其他特殊邏輯功能與選擇器。二是異構(gòu)單元的設(shè)計，如內(nèi)嵌存儲塊(BRAM或EMB)、內(nèi)嵌快速算術(shù)單元(MAC或DSP)、輸入輸出接口模塊(IO)和面向應(yīng)用或具備固定功能的硬核模塊(Hard IP)。三是互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如用于同構(gòu)單元間的局部或全局連線資源(基本互連單元Xbar，多路選擇器Mux，不同類型的通道Track、Channel等)、全局網(wǎng)絡(luò)資源(時鐘Clock、復(fù)位Reset、使能Clock Enable等)、特殊通道資源(快速連線Crosslink，快速數(shù)據(jù)通道等)和與其他異構(gòu)單元、IO模塊、微處理器核、存儲體等系統(tǒng)連線資源。

在FPGA架構(gòu)設(shè)計中最為核心的內(nèi)容是邏輯單元的設(shè)計和布線互連資源的設(shè)計。簡單來說，F(xiàn)PGA核心架構(gòu)設(shè)計就是要追求在某種定義的邏輯單元與布線資源下使得芯片功能與性能最優(yōu)。

第二，解決具有微處理核或其他異構(gòu)單元的FPGA系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)定義與設(shè)計問題。如前所述，F(xiàn)PGA系統(tǒng)芯片是未來FPGA器件的發(fā)展趨勢，因此FPGA系統(tǒng)芯片設(shè)計除了完成FPGA內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計之外，還應(yīng)考慮其他模塊(特別是微處理單元、存儲體、專用功能模塊、模擬模塊和輸入輸出部分等)與FPGA內(nèi)核本身互連互通的設(shè)計。FPGA系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)偏向于從系統(tǒng)層面來考慮問題，包括可編程邏輯部分與非編程邏輯部分互連通道結(jié)構(gòu)、I/O模塊與內(nèi)部各模塊的互連方式、異構(gòu)存儲模塊的劃分和配置，以及系統(tǒng)中各模塊的物理分布結(jié)構(gòu)等。利用高效的布線結(jié)構(gòu)，通過多路復(fù)用器將每個可編程邏輯單元與其他各類異構(gòu)單元連接成高度關(guān)聯(lián)的矩陣，矩陣內(nèi)的資源提供靈活多樣的接入或輸出方式，有效地實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)通路，使FPGA系統(tǒng)芯片更加符合特定應(yīng)用領(lǐng)域的需求，確保結(jié)構(gòu)更優(yōu)、性能更高、功耗更小、成本更低、產(chǎn)品周期更長。

如何設(shè)計FPGA系統(tǒng)芯片是非常關(guān)鍵的問題，也是技術(shù)難點(diǎn)。在FPGA系統(tǒng)芯片設(shè)計范疇內(nèi)，不能簡單地將其理解為純的FPGA芯片，可以理解為具備微處理單元的可配置的系統(tǒng)芯片。CPU+FPGA這種模式的出現(xiàn)是必然的趨勢，它最大限度地發(fā)揮了軟件可編程、硬件可重構(gòu)的特點(diǎn)。

第三，解決FPGA軟件開發(fā)問題。一個好的FPGA架構(gòu)能有效地支持FPGA軟件開發(fā)，同時一個好的FPGA軟件能最大限度地利用FPGA架構(gòu)的特性來優(yōu)化設(shè)計。在定義架構(gòu)的同時，事實(shí)上就應(yīng)有輔助架構(gòu)設(shè)計的軟件分析與評估工具。這些工具會輸入架構(gòu)的參數(shù)化描述，同時基于大量的測試實(shí)例，反復(fù)迭代優(yōu)化，調(diào)整優(yōu)化算法，逼近優(yōu)化目標(biāo)。

FPGA的軟件流程包括綜合映射、布局布線等核心步驟。從設(shè)計優(yōu)化的角度來說，主要以面積、速度、功耗為優(yōu)化目標(biāo)，努力滿足各項(xiàng)用戶約束并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。在這其中，每一個關(guān)鍵步驟都是多目標(biāo)的NP組合優(yōu)化問題，如何能在最短的時間內(nèi)找到最優(yōu)解一直是技術(shù)難點(diǎn)。

在知識產(chǎn)權(quán)方面，對FPGA的誕生起到至關(guān)重要作用的專利在幾年前到期，已不再受保護(hù)。其中包括在1988年授予賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人Ross Freeman的原始FPGA專利。不過大多數(shù)專利仍由Xilinx和Altera把持。需要指出的一點(diǎn)是，在可編程邏輯器件里，其內(nèi)核架構(gòu)是知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重點(diǎn)，各公司有超過1/3的專利技術(shù)都是從此角度來申請并保護(hù)。

各家FPGA公司都圍繞其內(nèi)核結(jié)構(gòu)大做文章。但架構(gòu)本身并無一種“最好最優(yōu)”的說法。我們經(jīng)?？吹絏ilinx和Altera在發(fā)布最新器件系列白皮書時分析并指出對方架構(gòu)潛在的缺點(diǎn)，以對比突出自身產(chǎn)品架構(gòu)的優(yōu)勢?？偟膩碚f，F(xiàn)PGA內(nèi)核架構(gòu)是集多種約束條件考慮下，如評估測試、工藝制造、管腳封裝、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計、應(yīng)用開發(fā)等，使實(shí)現(xiàn)結(jié)果達(dá)到平衡折中的一種體現(xiàn)。而國內(nèi)的FPGA廠商關(guān)注并解決好其內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計問題、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計問題和軟件開發(fā)問題即可。

突破國外壟斷 創(chuàng)新是關(guān)鍵

如何突破、如何創(chuàng)新一直是困擾國內(nèi)FPGA公司的難題。做中低端產(chǎn)品，在同樣工藝節(jié)點(diǎn)下如何有效地解決芯片成本、性能和功耗問題是關(guān)鍵。做高端產(chǎn)品，如何解決產(chǎn)品的可靠性問題以及如何開發(fā)高效能的軟件工具是關(guān)鍵。

從FPGA芯片研制的工程化方面來思考問題。

第一，F(xiàn)PGA芯片工程化的挑戰(zhàn)主要涉及三大過程：從市場需求文檔的定義，到設(shè)計文檔生成，再到實(shí)現(xiàn)流片的全過程;從樣片測試與調(diào)試，到問題檢驗(yàn)與修復(fù)，再到芯片量產(chǎn)全過程;芯片量產(chǎn)后的過程(測試環(huán)境再驗(yàn)證、產(chǎn)品數(shù)據(jù)再驗(yàn)證、產(chǎn)品可靠性再驗(yàn)證)。

由于芯片工程化的過程是在一定時間、一定資源條件約束下來開展的，因此需要遵循有效的“時間/過程/質(zhì)量”綜合的管理方法。研制樣片不是一件難事，而將樣片量產(chǎn)，真正交貨到客戶手上并非易事，需要多方位多層次的團(tuán)隊(duì)合力促成。

第二，軟件工程化的挑戰(zhàn)主要包括：對大型軟件工具開發(fā)的能力(軟件能力成熟度模型)、對軟件工程規(guī)范性的執(zhí)行能力、對軟件開發(fā)成果的持續(xù)積累能力。

FPGA軟件產(chǎn)品中EDA工具的開發(fā)是一個持續(xù)性并不斷“自我學(xué)習(xí)”的過程，它與內(nèi)核架構(gòu)的融合需要很長的時間，不是一蹴而就的事情。如果把FPGA產(chǎn)品研發(fā)中為硬件所付諸的努力比作“1”的話，那么為軟件要付諸的努力大于“2”。從產(chǎn)品競爭的角度來看，軟件的比重會越來越重。很多FPGA初創(chuàng)公司之所以失敗也是因?yàn)檐浖ぞ邲]做好。

接著考慮一下國產(chǎn)FPGA市場環(huán)境、投入和發(fā)展現(xiàn)狀問題。眾所周知，F(xiàn)PGA在經(jīng)濟(jì)發(fā)展各領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，中國民用市場上的FPGA器件幾乎100%地依賴進(jìn)口，市場容量估計每年超過10多億美元。但美國銷售許可的限制不僅影響華為、中興等中國巨型企業(yè)依賴進(jìn)口FPGA核心器件開發(fā)整機(jī)產(chǎn)品的能力，也會影響其他重要行業(yè)在產(chǎn)品布局和商業(yè)模式上的考慮。雖然中國各級政府多年來投入了大量的科研經(jīng)費(fèi)，但由于知識產(chǎn)權(quán)、軟件技術(shù)和生產(chǎn)工藝等多方面的限制，關(guān)鍵技術(shù)難以突破，未真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)化。

另外，國內(nèi)FPGA廠商通過為那些不具備獨(dú)立流片條件的企業(yè)提供基于FPGA技術(shù)的產(chǎn)品，幫助他們在多種領(lǐng)域內(nèi)靈活解決終端客戶的設(shè)計問題，這種模式符合國內(nèi)中小企業(yè)多、研發(fā)力量弱的實(shí)際情況。中國市場聚集了眾多以方案設(shè)計/系統(tǒng)整合為主的高科技企業(yè)，這些企業(yè)能夠在具有不同特點(diǎn)的低端和中高端FPGA產(chǎn)品的支持下，順利設(shè)計出自己的產(chǎn)品，快速走向市場，以最低市場設(shè)計風(fēng)險參與競爭。

但從事過FPGA芯片研制的企業(yè)常言FPGA“麻雀雖小，卻五臟俱全”。例如其研發(fā)周期不同于ASIC等其他芯片的研發(fā)周期?？赡芤淮晒Φ漠a(chǎn)品花費(fèi)7年甚至10年周期不足為奇，包括市場分析、產(chǎn)品定位、架構(gòu)設(shè)計、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件支撐、芯片制造/封裝/測試等一系列過程。然而對于軟件而言，可能需要在此基礎(chǔ)上再花好幾年的時間才能最大限度地發(fā)揮這款芯片的特點(diǎn)與優(yōu)勢。

再者，在FPGA行業(yè)高度壟斷的情況下，如何突破、如何創(chuàng)新一直是困擾國內(nèi)FPGA公司的難題。如果做中低端產(chǎn)品，在同樣工藝節(jié)點(diǎn)下如何有效地解決芯片成本、性能和功耗問題是關(guān)鍵。做高端產(chǎn)品，如何解決產(chǎn)品的可靠性以及如何開發(fā)高效能的軟件工具是關(guān)鍵。

最后，即使有了好的芯片和開發(fā)工具還不夠，還需要更多的應(yīng)用開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行支持。FPGA不是終端產(chǎn)品，其本身是一張白紙，需要由方案設(shè)計人員在上面勾畫出美景。因此上文有提到，如果把硬件實(shí)現(xiàn)比作“1”的話，軟件開發(fā)要大于“2”，而為應(yīng)用開發(fā)所付諸的努力則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“4”。如果一個FPGA產(chǎn)品沒有好的應(yīng)用支持團(tuán)隊(duì)開發(fā)各類應(yīng)用或參考設(shè)計，產(chǎn)品也很難在市場上有所表現(xiàn)。