全球半導體市場格局已成三足鼎立之勢,ASIC (Application Specific Integrated Circuits,專用集成電路)、ASSP(Application Specific Standard Parts,特殊應用標準產品)、FPGA(Field Programmable Gate Array,現場可編程門陣列)三分天下。相較于ASIC和ASSP巨大的市場容量而言,FPGA還只是一個小眾市場。但是市場統計研究數據表明,FPGA已經逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統市場,并處于快速增長階段。現階段FPGA的應用不斷擴展,從汽車、廣播、計算機和存儲、消費類、工業、醫療、軍事、測試測量、無線和固網,應用領域正向各行各業滲透。
國外FPGA發展之路
20世紀80年代是FPGA/PLD興起的年代,Xilinx、Altera(2015年被Intel收購)、Lattice、Actel(2010年10月被Microsemi收購)、Quick Logic等純FABLESS設計公司都是在此年代成立的,同時相當多的IDM公司也開始進入FPGA/PLD領域,到20世紀90年代,約有50家公司從事FPGA/PLD研究。20世紀未FPGA市場經過一番激烈整合,許多業者不是退出PLD市場,就是出售其PLD業務部門,或將PLD業務部門分立成獨立公司,或進行購并等,如Intel、Philips、Agere Systems都出售其PLD部門;AMD將PLD部門剝離出去成立Vantis;GateFiel公司被收購;進入21世紀,在國外目前剩下不到10家,除Xilinx和Intel PSG(原Altera)兩家持續不斷地軍備競賽,其它的都有著各自固守的市場定位。盡管競爭激烈,但FPGA領域依然有新興業者出現,如受英特爾新工藝支持的Achronix Semiconductor以及MathStar等。不過新興公司都是直奔高端應用而去。
除了單純數字邏輯性質的可程序邏輯裝置外,混訊、模擬性質的可程序邏輯裝置也展露頭角,例如Cypress Semiconductor的PSoC(Programmable System-on-Chip)即具有可組態性的混訊電路,或如Microsemi公司也提出可程序化的混訊芯片Fusion,或者Quick Logic研發的CSSP(Customer Specific Standard Product),或者也有業者提出所謂的現場可程序化模擬數組(Field Programmable Analog Array;FPAA)等,相信這些都能為可程序化芯片帶來更多的發展動能。
根據器件發展歷程以及市場應用需求發展趨勢,FPGA今后仍然主要朝以下幾大方向發展: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核復用、系統集成;第五,動態可重構及單片集群。這些發展方向并不相互排斥,從Xilinx和Altera最新發布的器件來看,他們已經結合幾種發展方向上的特點,形成功能性能更強大的產品。
發展國產FPGA的背景
由于全球四家頂級FPGA公司Xilinx、Intel PSG(原Altera)、Microsemi(原Actel)、Lattice全部是美國公司,美國政府對我國的FPGA產品與技術出口進行苛刻的審核和禁運,使得我國在航天、航空乃至國家安全領域都受到嚴重制約。盡管多年來我國政府投入了數百億科研經費,通過逆向工程方式仿制美國禁運的FPGA產品。但由于知識產權、生產工藝和軟件技術諸多方面的限制,仿制品種有限,技術無法突破,難以滿足國家安全的需要。隨著國際形勢的變化,通過走私進口禁運產品的渠道可能被切斷,進口的關鍵芯片也可能被人為地嵌入后門通道或定時炸彈等模塊,嚴重危及國家安全。因此,研發具有自主知識產權的FPGA技術與產品對于打破美國企業和美國政府結合的壟斷意義深遠。
特別是近年來針對工業、國防、航空、通信和醫療系統的攻擊事件不斷增加,航天、軍工、工業控制和醫療等部門,均十分關注信息的安全性,因此電子器件產品的安全性也就越來越多地受到企業的重視,它們需要更能保障設計、數據安全的FPGA器件。由于電子系統內的安全性和防篡改防護正受到越來越多的重視,因此高安全性FPGA解決方案的市場需求在不斷提升,已經逐漸成長為一個相對特殊但增長快速的市場。
中國公司要在FPGA領域取得進步,需用新產品、新技術帶給客戶更多的價值。因此,中國FPGA企業在技術實力與全面市場開拓能力尚弱之際,以點帶面、找準定位,從特殊應用領域入手,尋求合適發展的市場作為切入點,形成中國FPGA的核心競爭力,也不失為一個發展國產FPGA產業的有效途徑。
中國擁有超過60億元的FPGA市場。十二五期間,中國的可編程器件市場保持年均30%以上的增長速度。中國電子產品市場要求敏捷快速的研發周期和少量多樣的產品形態,最適合FPGA應用。
我國的一些重要研究部門急需也長期需要高可靠FPGA用于國家安全和重點應用,比如航天航空、信息安全等。這個市場足夠大,足夠支撐FPGA研發。
國產化之路,產業生態環境是關鍵
高可靠性市場需求正為中國國產FPGA提供了這樣一個相對有利的發展空間。對于尚不夠強大的中國FPGA企業來說,如能把握住這個市場,不失為一條差異化的發展路徑。
既然有了足夠的市場,那么我們就不要去討論市場的問題,而是要建立生態環境的問題。
1、制造工藝技術
目前主流的FPGA廠商Xilinx、Intel PSG(原Altera)都與Foundry公司建立了緊密的戰略伙伴關系,Xilinx和UMC、東芝、三星都有合作,而Intel PSG(原Altera)與全球最大的代工商TSMC緊密捆綁,其技術緊跟工藝發展。國內目前的代工公司中芯國際、華虹宏力要肩負起重任,與國內FPGA公司一起在工藝技術上緊密合作。
2、EDA軟件支持
通過高性能的EDA工具可以充分開發出FPGA芯片的產能。完善的生態系統能夠提供給用戶更全面的設計資源,從而突出系統優勢,迅速適應各種市場應用變化,快速搶占市場高地。
Xilinx、Intel PSG(原Altera)兩大主流FPGA公司都和EDA設計公司合作緊密,只要有FPGA新品面世,EDA設計公司就可以進行支持。而國內目前的EDA公司本身的技術能力有待加強,與FPGA公司的合作有待完善。目前國內的FPGA公司除了要做產品外,還要開發相應的配套軟件,各家公司的軟件無法兼容,這無形中加大了研發成本。
3、應用開發支持
FPGA不是終端產品,其本身是一張白紙,需要由應用方案設計人員在上面勾畫出美景。如果一個FPGA產品沒有好的應用支持團隊開發各類應用或參考設計,產品也很難在市場上有所表現。
結語
高端產品有Xilinx和Intel PSG(原Altera)雙雄把守,特殊應用市場有Microsemi(原Actel)、Lattice死死防守,加上四家共有的9000項專利,已很大程度上阻礙了后者加入。
國內技術和工藝確實暫時跟不上國外最先進的水平,但我們只要能夠達到Xilinx、Intel PSG(原Altera)公司5--10年前的水平,也可以滿足相當多的使用需求。FPGA國產化的主要瓶頸:專業人才缺、產業周期長、技術門檻高、投入資金大。
國產化FPGA戰略必須上升到國家層面才有可能實現大的突破,沒有國家的支持企業很難承受巨大的研發投入。
相信FPGA國產化之路將越走越順暢。