FPGA芯片你了解多少?(fpga芯片介绍)

2023-03-10 19:19:33

 

在高度垄断的FPGA市场,国产公司未来也有看点撰文/刘雨辰出品/每日财报集成电路芯片包括数字芯片和模拟芯片两大类,数字芯片可以分为存储器芯片和逻辑芯片,大家熟知的逻辑芯片一般包括 CPU、GPU、DSP等通用处理器芯片,以及专用集成电路芯片ASIC。

今天要介绍的是一种特殊的逻辑芯片——FPGA芯片什么是FPGA芯片FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,1985年由 Xilinx 创始人之一Ross Freeman发明。

FPGA的诞生时间晚于摩尔定律约20年,但FPGA自发明后,发展之快超乎想象,且目前FPGA已是全球领先的先进工艺按照官方的解释,FPGA 是一种在PAL(可编程逻辑阵列)、GAL(通用阵列逻辑)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等传统逻辑电路和门阵列的基础上发展起来的一种半定制电路,主要应用于ASIC(专用集成电路)领域,既解决了半定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA和CPU、GPU、ASIC的芯片等核心区别是其底层逻辑运算单元的连线及逻辑布局未固化,用户可通过 EDA 软件对逻辑单元和开关阵列编程,进行功能配置,从而去实现特定功能的集成电路芯片什么意思?FPGA芯片可以每隔几秒就改变芯片上的运行硬件设计,而像CPU、ASIC等芯片则在出厂的时候就已经固化,无法进行改变。

如果说ASCI、CPU和GPU等是建好的楼房,楼房中房间、走廊及楼梯等路线方式已经固定了,那么FPGA的内部就类似霍格沃兹中的魔法楼梯,可以随时改变房间到房间的路线关系此外,FPGA不需要像CPU和GPU在软件应用层面的指令系统编译,对FPGA进行编程是使用硬件描述语言,并直接编译烧录为晶体管电路的组合,也就是直接用晶体管电路实现用户的算法。

FPGA最大的特点就是灵活,实现你想实现的任何数字电路,可以定制各种电路减少受制于专用芯片的束缚,真正为自己的产品量身定做,在设计的过程中可以灵活的更改设计,具有现场可编程性,因此特别适用于需求物理运算逻辑需要持续更迭的应用领域,例如人工智能算法优化、数据中心应用等。

智能电动车是未来汽车行业的主流发展方向,目前汽车相机以及传感器中FPGA的应用已经相对成熟,在自动/智能驾驶汽车的人工智能系统中,FPGA的适用度将是最为契合的用于处理越来越复杂的 ADAS和自动驾驶2014年,FPGA芯片的国际龙头赛灵思的芯片被14家汽车制造商采用,并设计成29款车型,到 2018 年,赛灵思芯片解决方案已扩大到29家汽车制造商的111款车型中。

在通信领域,5G通信基站数量增多,而且单个基站FPGA用量提升,带动 FPGA 需求量增大根据测算,5G单基站FPGA用量有望从4G时期的1-3块提升到5G时期的4-5 块,5G基站中FPGA价值量比4G基站多大约1000美元。

根据 MRFR的统计,2013年全球FPGA的市场规模在45.63亿美元左右,中国 FPGA 芯片市场规模持续上升,从2016年的65.5亿元增长至2020年的 150.3 亿元,年复合增长率高达23.1%。

随着目前5G时代的进展以及AI的推进速度加快,FPGA芯片将加速放量根据预测,到2025年,中国FPGA市场规模将进一步提升至332.2亿元,2021-2025 年的复合增长率为17.1%,高于全球FPGA市场的10.85%。

谁与争锋根据MRFR对于FPGA的下游应用地区分布的统计,目前最大的市场为亚太地区,占比达39.15%,北美占比为33.94%,欧洲占比19.42%,而至2025年,亚太地区的占比将会继续的提高至43.94%。

但从供给端来看,全球 FPGA市场主要被海外企业垄断,2019年,赛灵思和 Altera分别占据全球 FPGA市场份额的52%和35%,基本垄断,Lattice和 Microsemi则各占5%的市场份额。

数据来源:公开资料整理中国芯片厂商在 FPGA 这个细分领域和国外巨头的差距远远比其他领域要大,根本原因就是 FPGA技术门槛非常高,核心技术只掌握在及其少数的公司手上专利是先发者的奖赏,也是后来者的诅咒,根据统计,目前Xilinx和Altera拥有超过6000项专利,对该行业的后进入者形成了难以跨越的技术壁垒。

国内的领军企业为复旦微、安路科技和紫光同创复旦微主营集成电路设计及销售与集成电路测试服务,其中设计与销售的主要产品包括安全与识别芯片、非挥发存储器、智能电表芯片及 FPGA 芯片公司从2004年就开始进行FPGA的研发,陆续推出百万门级和千万门级 FPGA。

复旦微是国内最早推出亿门级 FPGA 产品的厂商,在2018年发布了采用28nm工艺制程的亿门级 FPGA产品,产品包含700k左右容量的逻辑单元,SerDes模块最高支持13.1Gbps,并在2019年正式销售,目前已经向国内数百家客户发货,填补了国产高端 FPGA的空白,目前公司基于28nm工艺制程的FPGA产品已多达数十款。

安路科技成立于2011年,公司的主营业务为 FPGA 芯片和专用 EDA 软件的研发、设计2019年,安路科技FPGA芯片在中国市场排名第四,在国产品牌中排名第一,2020年的产品出货量突破 2000万颗,FPGA芯片产品已形成以SALPHOENIX 高性能产品系列、SALEAGLE高性价比产品系列和SALELF低功耗产品系列组成的产品矩阵。

紫光同创是紫光国微的子公司,过去几年,公司陆续推出了采用40nm工艺的 Titan系列高性能FPGA产品、40nm工艺的Logos系列高性价比FPGA产品、55nm工艺的 Compact系列CPLD产品,覆盖了高、中、低端市场应用需求。

总结来说,由于5G渗透率提升、AI智能推进以及汽车智能化的不断演进,FPGA芯片未来五年势必会迎来加速放量期,尽管国内企业和世界顶级企业还有较大差距,但在国产替代的核心逻辑下,摘取低处的果实也足以吃饱,不出意外,安路科技和复旦微都将先后登陆资本市场,届时可以重点关注。


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