編者按:自1956年中國(guó)將半導(dǎo)體作為國(guó)家重要的發(fā)展領(lǐng)域后,今年是第66個(gè)年頭?;赝?6年的發(fā)展,從無到有、從小到大,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了風(fēng)雨坎坷同時(shí)又迸發(fā)出無限的生機(jī)。在中國(guó)“十四五”提出數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃,瞄準(zhǔn)集成電路等戰(zhàn)略性領(lǐng)域之際,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫推出“國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程”系列專題,講述當(dāng)今中國(guó)半導(dǎo)體各領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程,解析國(guó)產(chǎn)化最新態(tài)勢(shì),本期為“國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程”專題集成電路篇第四篇文章:FPGA。
——半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫編輯部
FPGA,作為一種半定制芯片,具有現(xiàn)場(chǎng)可編程性,非常靈活,可重復(fù)使用,特別適合要求物理運(yùn)算邏輯持續(xù)更迭的應(yīng)用,例如人工智能算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)通信等。
當(dāng)下,隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求不斷提升,F(xiàn)PGA具有更廣闊的發(fā)展空間,特別是5G技術(shù)的提升、AI的推進(jìn)以及汽車自動(dòng)化的演進(jìn),全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模將穩(wěn)步提升。據(jù)Market Research Future統(tǒng)計(jì),2018年,全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模為63.35億美元,預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至125.21億美元,2018-2025年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為10.22%。
中國(guó)市場(chǎng)水漲船高,近年來,F(xiàn)PGA市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)上升,從2016年的65.5億元人民幣,增長(zhǎng)至2020年的150.3億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為23.1%。據(jù)預(yù)測(cè),2025年,中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將提升至332.2億元,2021-2025年的復(fù)合增長(zhǎng)率為17.1%,高于全球市場(chǎng)。在國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)下,中國(guó) FPGA市場(chǎng)的增長(zhǎng)將為本土廠商提供更多商機(jī)。
廠商方面,全球FPGA市場(chǎng)被賽靈思(Xilinx,已被AMD收購(gòu))和英特爾(收購(gòu)了Altera)這兩大巨頭把持,市占率合計(jì)達(dá)87%左右,再加上另外兩強(qiáng)Lattice和MicroChip,這四家美國(guó)公司就占據(jù)了全球92%以上的FPGA市場(chǎng)份額。
相較于國(guó)際大廠,中國(guó)本土FPGA廠商整體實(shí)力較弱,代表企業(yè)包括復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)(紫光國(guó)微持股)、安路科技和高云半導(dǎo)體,另外還有西安智多晶、京微齊力、上海遨格芯和成都華微科技。國(guó)內(nèi)廠商以偏低端的CPLD和小規(guī)模FPGA器件為主。
中國(guó)本土FPGA廠商在技術(shù)水平、軟件易用性、市占率等方面都與國(guó)際大廠存在較大差距,但隨著我國(guó)不斷加大研發(fā)投入和人才培養(yǎng)力度,未來國(guó)產(chǎn) FPGA 企業(yè)將有望縮小與國(guó)際企業(yè)之間的差距。另外,國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)都有名校背景,如紫光同創(chuàng)背靠清華大學(xué),復(fù)旦微電子背靠復(fù)旦大學(xué),具備較強(qiáng)的人才資源優(yōu)勢(shì)。
國(guó)產(chǎn)之光
安路科技、復(fù)旦微電子和紫光同創(chuàng)是中國(guó)本土FPGA企業(yè)中的佼佼者。最近幾年,借助國(guó)家政策和資金支持,以及全行業(yè)國(guó)產(chǎn)化加速動(dòng)能,這三家廠商也加快了追趕國(guó)際大廠的步伐。
FPGA芯片的現(xiàn)場(chǎng)可編程特性決定了客戶需要FPGA專用EDA軟件來配置芯片實(shí)現(xiàn)具體功能,因此,軟件是FPGA產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵。安路科技自主開發(fā)的軟硬件協(xié)同研發(fā)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了以軟件為核心,支持硬件、專用EDA軟件、測(cè)試、應(yīng)用IP和參考方案的協(xié)同設(shè)計(jì)。在FPGA專用EDA軟件方面,安路科技的TangDynasty是國(guó)內(nèi)少數(shù)全流程自主開發(fā)的 FPGA 專用軟件。
在FPGA芯片應(yīng)用方案方面,安路科技已經(jīng)積累了一批成熟的圖像處理和邏輯接口IP,大幅提升了用戶的應(yīng)用開發(fā)效率。目前,該公司的28nm制程FPGA已經(jīng)量產(chǎn),是國(guó)內(nèi)首批具有28nm FPGA芯片設(shè)計(jì)和量產(chǎn)能力的企業(yè),且已開展FinFET工藝產(chǎn)品預(yù)研工作。
2021年11月,安路科技在科創(chuàng)板上市,募投資金主要用于新一代FPGA研發(fā),以及FPSoC 系統(tǒng)級(jí)芯片研發(fā)項(xiàng)目。近些年,該公司的研發(fā)費(fèi)用支出占營(yíng)收比率一直穩(wěn)定在30%以上。
在千萬門級(jí)FPGA發(fā)展成熟之后,2018年第二季度,復(fù)旦微電子推出了采用28nm制程工藝的億門級(jí)FPGA產(chǎn)品,開創(chuàng)本土先河,其SerDes傳輸速率最高達(dá)13.1Gbps,已向國(guó)內(nèi)數(shù)百家客戶發(fā)貨,主要用于5G通信和人工智能等對(duì)傳輸速度要求較高的領(lǐng)域。
在復(fù)旦微電子2018-2021年主營(yíng)構(gòu)成中,F(xiàn)PGA芯片的收入占比不斷上升,從2018年的11%增至2021年的17%,體現(xiàn)了該公司FPGA隨國(guó)產(chǎn)替代不斷放量的趨勢(shì)。由于FPGA業(yè)務(wù)的技術(shù)壁壘較高,高研發(fā)投入帶來的高定價(jià),以及應(yīng)用領(lǐng)域等因素,2021年,該公司FPGA毛利率達(dá)到84.71%,遠(yuǎn)高于其他業(yè)務(wù)。
紫光同創(chuàng)的FPGA在高中低端市場(chǎng)均有布局,如高性能的Titan系列(40nm),以及高性價(jià)比的Logos系列(40nm),該公司還有55nm制程工藝的Compact系列CPLD產(chǎn)品。另外,采用28nm制程的千萬門級(jí)(4000萬)FPGA量產(chǎn)工作也在推進(jìn)過程當(dāng)中。
2021上半年,紫光同創(chuàng)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收2.35億元人民幣,同比大幅增長(zhǎng)103.02%,凈利潤(rùn)8901萬元,同比增長(zhǎng)197.30%,實(shí)現(xiàn)扭虧為盈。該公司持續(xù)加大研發(fā)投入,大規(guī)模FPGA研發(fā)進(jìn)展順利,多款中小規(guī)模FPGA產(chǎn)品逐步成熟,穩(wěn)步上量發(fā)貨,并在視頻圖像處理、工控和消費(fèi)市場(chǎng)取得了重要進(jìn)展。另外,紫光同創(chuàng)已初步完成了新一代產(chǎn)品,即可編程系統(tǒng)平臺(tái)芯片SoPC的規(guī)劃工作。
任重道遠(yuǎn)
看完了成績(jī),下面看一下不足與差距。中國(guó)本土FPGA廠商在市場(chǎng)規(guī)模、制程工藝、EDA工具、IP等方面,與國(guó)際大廠的差距還是很大的。
賽靈思、英特爾和Lattice在中國(guó)市場(chǎng)的出貨量占比分別為36.6%、25.3%和23.2%,本土廠商安路科技排在第四位,占比僅 6%。若以銷售額統(tǒng)計(jì),賽靈思和英特爾兩家的合計(jì)占有率超過90%,安路科技排名第四,占比僅1%左右。
賽靈思,英特爾,Lattice和MicroChip不僅在硬件設(shè)計(jì)方面技術(shù)領(lǐng)先,它們?cè)诟叨薊DA軟件設(shè)計(jì)方面也形成了極強(qiáng)的技術(shù)壁壘,通過近9000項(xiàng)專利構(gòu)筑了牢固的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘,研發(fā)相關(guān)人才近萬人。
FPGA芯片設(shè)計(jì)階段涉及到很多IP硬核,而在后期編程階段又涉及到很多IP軟核,國(guó)外廠商憑借自身高市占率,在客戶應(yīng)用過程中不斷積累,從而形成了強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。
相對(duì)而言,中國(guó)FPGA研發(fā)基礎(chǔ)較為薄弱,由于發(fā)展較晚,中國(guó)FPGA研發(fā)人才匱乏,這已成為制約中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品升級(jí)的主要障礙。
產(chǎn)業(yè)鏈方面,中國(guó)國(guó)產(chǎn)化程度低,特別是EDA和IP,隨說本土FPGA頭部廠商也自研了一些軟件工具,但總體來看,使用的EDA軟件和IP主要由境外企業(yè)提供,Cadence、Synopsys和siemens占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額。
受制于專利,中國(guó)本土企業(yè)在研發(fā)方面也是困難重重。據(jù)統(tǒng)計(jì),賽靈思已申請(qǐng)超過5300項(xiàng)專利,而紫光同創(chuàng)擁有的專利數(shù)僅300余項(xiàng),差距明顯。由于FPGA核心專利大都掌握在國(guó)外廠商手中,在核心專利沒有過期的情況下,要繞開它們,不僅要加大研發(fā)投入,還要消耗更大的芯片面積和功耗。這對(duì)FPGA初創(chuàng)公司的發(fā)展非常不利。
另外,中國(guó)FPGA企業(yè)在門級(jí)規(guī)模和制程工藝方面,與國(guó)際大廠之間的差距也很明顯。
制程工藝方面,以賽靈思為例,其FPGA芯片主流工藝包括28nm、20nm和16nm,7nm制程產(chǎn)品也已發(fā)布。目前,中國(guó)本土廠商已發(fā)布的產(chǎn)品只能達(dá)到28nm制程。
不過,目前市場(chǎng)對(duì)28nm及更先進(jìn)制程FPGA的需求量相對(duì)有限。由于28nm-90nm制程區(qū)間內(nèi)的FPGA芯片具有較高的性價(jià)比和良率,依然是市場(chǎng)主流。據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì),2019年28nm-90nm制程的 FPGA占據(jù)了中國(guó)市場(chǎng)63.3%的份額,28nm及更先進(jìn)制程FPGA占據(jù)了20.9%的市場(chǎng)份額。這一市場(chǎng)格局為國(guó)產(chǎn)FPGA的發(fā)展提供了時(shí)間。但是,由于先進(jìn)制程產(chǎn)品具有更低功耗、更小面積和更高性能,預(yù)計(jì)28nm及更先進(jìn)制程FPGA 芯片將快速發(fā)展,我們還是要抓緊時(shí)間。
本土幾大廠商在先進(jìn)制程FPGA的研發(fā)和量產(chǎn)方面也取得了一些成績(jī),以安路科技為例,其55nm制程產(chǎn)品是主要營(yíng)收來源,28nm制程營(yíng)收占比在快速提升,該公司在2020年實(shí)現(xiàn)了 28nm制程PHOENIX1 系列產(chǎn)品的量產(chǎn),28nm產(chǎn)品營(yíng)收占比持續(xù)提升,2021上半年達(dá)到 5.11%,較2020年顯著增長(zhǎng)。
門級(jí)規(guī)模方面,賽靈思16nm制程產(chǎn)品達(dá)到十億門級(jí),28nm制程產(chǎn)品為億門級(jí)。中國(guó)本土頭部廠商28nm制程產(chǎn)品的門級(jí)規(guī)模剛剛達(dá)到億門級(jí)。100K門以下邏輯單元芯片為國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)。據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì),以銷售額計(jì)算,中國(guó)市場(chǎng)100K門以下的FPGA芯片占據(jù)了38.2%的市場(chǎng)份額,100K-500K門FPGA占據(jù)了31.7%的市場(chǎng)份額。
SerDes速率也有差距,例如,賽靈思16nm制程產(chǎn)品最高支持32.75GbpsX96通道或58GbpsX32通道,安路科技28nm制程產(chǎn)品的SerDes速率僅達(dá)到16Gbps。
結(jié)語
雖然國(guó)際FPGA四大廠把持著絕大部分市場(chǎng)份額,但AMD近些年的CPU市占率和營(yíng)收躥升告訴我們,只要產(chǎn)品做的對(duì)路,性能指標(biāo)好,一切皆有可能。而且,在國(guó)家政策、資金的支持下,以及國(guó)產(chǎn)化浪潮的推動(dòng)下,中國(guó)本土FPGA是有很大發(fā)展空間的。
目前來看,國(guó)產(chǎn)FPGA短期內(nèi)還難以與賽靈思(AMD旗下)和英特爾抗衡,更多地是在爭(zhēng)奪主打中小規(guī)模(門級(jí))、低功耗FPGA的Lattice和MicroChip市場(chǎng)份額,特別是在前景廣闊的汽車和工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng),更具發(fā)展?jié)摿?,因?yàn)檫@兩大市場(chǎng)對(duì)成本很敏感,賽靈思和英特爾的產(chǎn)品受限較多,這給了后來者機(jī)會(huì),包括中國(guó)本土FPGA廠商。
特別是汽車市場(chǎng),更是一塊大蛋糕,為了爭(zhēng)奪這塊潛力市場(chǎng),車用MCU領(lǐng)導(dǎo)廠商瑞薩電子于2021年推出了低功耗ForgeFPGA,價(jià)格將低于0.5美元。這是瑞薩收購(gòu)Dialog Semiconductor GreenPAK可編程混合信號(hào)器件業(yè)務(wù)后推出的,此前,Dialog Semiconductor還與FPGA開發(fā)商Flex Logix合作,將其EFLX平臺(tái)集成到包括MCU在內(nèi)的芯片中。
這樣看來,在以汽車電子為代表的中小規(guī)模(門級(jí))、低功耗FPGA市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中,中國(guó)本土企業(yè)既有機(jī)遇,也要面臨更多競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn),還需要不斷提升FPGA研發(fā)能力和生態(tài)建設(shè)水平。