中國(guó)的FPGA處于什么水準(zhǔn)?發(fā)展前景分析

fpga突出特點(diǎn)

可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

fpga配置模式

FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理并降低FPGA與PCB并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要考慮的關(guān)鍵問題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時(shí)，不得不面對(duì)由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

例如，領(lǐng)先FPGA廠商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工藝，可提供高達(dá)33萬個(gè)邏輯單元、1，200個(gè)I/O和大量硬IP塊。超大容量和密度使復(fù)雜的布線變得更加不可預(yù)測(cè)，由此帶來更嚴(yán)重的時(shí)序收斂問題。此外，針對(duì)不同應(yīng)用而集成的更多數(shù)量的邏輯功能、DSP、嵌入式處理和接口模塊，也讓時(shí)鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。

幸運(yùn)地是，F(xiàn)PGA廠商、EDA工具供應(yīng)商正在通力合作解決65nm FPGA獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。不久以前，Synplicity與Xilinx宣布成立超大容量時(shí)序收斂聯(lián)合工作小組，旨在最大程度地幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師以更快、更高效的方式應(yīng)用65nm FPGA器件。設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商Magma推出的綜合工具Blast FPGA能幫助建立優(yōu)化的布局，加快時(shí)序的收斂。最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

fpga典型應(yīng)用

典型應(yīng)用一：接口邏輯控制——提供前所未有的靈活性

1、PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器

2、SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND Flash、NOR Flash等接口控制器

3、電平轉(zhuǎn)換，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

典型應(yīng)用二：高速的數(shù)字信號(hào)處理——提供前所未有的計(jì)算能力

1、無線通信領(lǐng)域，如軟件無線電（SDR）；

2、視頻圖像處理領(lǐng)域，如高清晰數(shù)字電視（HDTV）；

3、軍事和航空航天領(lǐng)域，如雷達(dá)聲納、安全通信。

其他應(yīng)用領(lǐng)域

1、汽車，如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等；

2、消費(fèi)產(chǎn)品，如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等；

3、醫(yī)療，如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備等

4、通信設(shè)備 ，如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無線通信、軟件無線電等

5、測(cè)試與測(cè)量，如通信測(cè)試與監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、通用儀表等。

全球FPGA發(fā)展概況

從市場(chǎng)規(guī)模來看，全球FPGA近幾年基本維持在50億美元左右，應(yīng)用則以傳統(tǒng)通信市場(chǎng)為主，云計(jì)算、IoT等新興市場(chǎng)尚在培育期。

Xilinx、Altera、Lattice三家廠商營(yíng)收始終位于全球前三甲，每年的營(yíng)收、凈利潤(rùn)增長(zhǎng)以及毛利率都相對(duì)穩(wěn)定。

參加此次FPGA邀請(qǐng)賽高峰論壇的深圳市紫光同創(chuàng)電子有限公司營(yíng)銷中心總經(jīng)理包朝偉表示，這三家廠商占據(jù)絕大部分的市場(chǎng)份額，尤其是Xilinx，長(zhǎng)期占據(jù)行業(yè)龍頭位置，年產(chǎn)值超過23億美元，全球市場(chǎng)份額超過50%，且還在持續(xù)增長(zhǎng)。

技術(shù)方面，近十年FPGA沒有根本性的進(jìn)步，行業(yè)壟斷已經(jīng)形成。

Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi等廠商共計(jì)擁有超過10000件專利，占總量60%以上，F(xiàn)PGA架構(gòu)和核心電路、應(yīng)用方案，基本被這幾家國(guó)外廠商專利網(wǎng)覆蓋，后進(jìn)者發(fā)展受到極大限制。

資料顯示，Xilinx Virtex UltraScale Plus系列產(chǎn)品，采用16納米先進(jìn)制程工藝，擁有超過28520萬門，Serdes速率為32.75Gbps ，即將開始量產(chǎn)，在技術(shù)上依舊領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

中國(guó)的現(xiàn)狀和機(jī)遇

數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率非常低，政府部門國(guó)產(chǎn)應(yīng)用率不足30%，還有很大提升空間，商用市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率就更低，形勢(shì)不容樂觀。

包朝偉表示，國(guó)內(nèi)廠商FPGA產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的份額總計(jì)不足5%，只有紫光同創(chuàng)、安路等廠商在中低密度市場(chǎng)取得了一些成績(jī)。

不過，由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商，其它廠商人才匱乏，再加上FPGA開發(fā)需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、軟件開發(fā)難度大、IP多且雜，需要大量應(yīng)用才能支撐市場(chǎng)，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后的問題。

當(dāng)然，這也是國(guó)內(nèi)廠商的發(fā)展機(jī)會(huì)。從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)不僅需要自主FPGA，而且還需要將其快速國(guó)產(chǎn)化。在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下，預(yù)計(jì)將帶來龐大的FPGA增量市場(chǎng)，而這也是國(guó)內(nèi)廠商快速切入的時(shí)機(jī)。

據(jù)悉，紫光同創(chuàng)Titan系列FPGA產(chǎn)品采用40納米制程工藝，擁有超過2500萬門，Serdes速率為6.25Gbps，目前已經(jīng)量產(chǎn)，并在通信、安全等中高密度市場(chǎng)逐步打開局面。

當(dāng)前，在國(guó)家大力支持集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境下，對(duì)于尚不夠強(qiáng)大的中國(guó)FPGA企業(yè)來說不失為黃金發(fā)展時(shí)機(jī)，如何把握機(jī)會(huì)快速做大做強(qiáng)將是對(duì)每一家企業(yè)的考驗(yàn)。

全球FPGA市場(chǎng)發(fā)展前景展望

通常來說半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是周期性行業(yè)，其周期一般為4到5年。但是隨著新技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，現(xiàn)今半導(dǎo)體周期越來越短，且每一個(gè)周期都有典型應(yīng)用作為拉動(dòng)點(diǎn)，比如過去的PC、后來的通信行業(yè)。FPGA也明顯符合這種規(guī)律。但不同的是，當(dāng)ASIC和ASSP蕭條的時(shí)候，往往迎來FPGA的大發(fā)展。2008年以來的金融危機(jī)使得半導(dǎo)體行業(yè)平均跌幅大于10%，但是市場(chǎng)數(shù)據(jù)卻顯示FPGA行業(yè)依然強(qiáng)勁增長(zhǎng)。危機(jī)和低迷使ASIC和ASSP制造者為謹(jǐn)慎起見，不敢貿(mào)然推出新產(chǎn)品，避免巨大的NRE費(fèi)用。而FPGA恰好能迎合這一需求。

當(dāng)今，半導(dǎo)體市場(chǎng)格局已成三足鼎立之勢(shì)，F(xiàn)PGA，ASIC和ASSP三分天下。市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)PGA已經(jīng)逐步侵蝕ASIC和ASSP的傳統(tǒng)市場(chǎng)，并處于快速增長(zhǎng)階段。

在全球市場(chǎng)中，Xilinx、Altera兩大公司對(duì)FPGA的技術(shù)與市場(chǎng)仍然占據(jù)絕對(duì)壟斷地位。兩家公司占有將近90%市場(chǎng)份額，專利達(dá)6000余項(xiàng)之多，而且這種壟斷仍在加強(qiáng)。同時(shí)，美國(guó)政府對(duì)我國(guó)的FPGA產(chǎn)品與技術(shù)出口進(jìn)行苛刻的審核和禁運(yùn)，使得國(guó)家在航天、航空乃至國(guó)家安全領(lǐng)域都受到嚴(yán)重制約。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FPGA技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)打破美國(guó)企業(yè)和政府結(jié)合構(gòu)成的壟斷，及國(guó)家利益意義深遠(yuǎn)。

作為一種可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA在短短二十多年中從電子設(shè)計(jì)的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計(jì)技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過FPGA器件的發(fā)展歷程來看，今后仍將朝下以下幾個(gè)方向發(fā)展：

?高密度、高速度、寬頻帶、高保密;

?低電壓、低功耗、低成本、低價(jià)格;

?IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成;

?動(dòng)態(tài)可重構(gòu)以及單片集群;

?緊密結(jié)合應(yīng)用需求，多元化發(fā)展。