突破国外垄断 本土厂商探索FPGA新路径

从全球范围来看，可编程逻辑器件PLD(注：PLD市场包括FPGA和CPLD，其中FPGA占据85%以上的PLD市场)相对于半导体行业中其他芯片而言，是一个“小众”市场。从市场研究公司iSuppli在2012年3月发布的数据来看，可编程逻辑器件市场估计为52亿美元。但根据另一家国际研究暨顾问机构Gartner对半导体行业增长趋势的分析结果得出，可编程逻辑器件保持着强劲的增长势头，在所有芯片种类复合年均增长率中CAGR位列第一。

四巨头占据98%市场 FPGA迎来爆发期

从Xilinx 27年间的收入曲线可以看出，2011年开始了高速增长，年增长率达到30%。这也说明，经历了几年平稳发展的时期，FPGA市场已经迎来了全面爆发的时期。

从可编程逻辑器件领域的玩家可以了解到，这个行业又是一个高度垄断的行业，全球目前只有四家能大规模量产这类芯片的公司，即赛灵思Xilinx、阿尔特拉Altera、莱迪思Lattice和美高森美Microsemi。同时这些公司都在美国，他们占据了98%以上的市场份额，申请了将近6000余项专利技术，形成了技术壁垒。

以Xilinx为例，根据Xilinx 2011财年财报显示，来自通信市场的收入达到11.05亿美元，同比增长29%，占据了整个Xilinx收入的47%。接下来的分别是工业控制、消费电子、数据处理、汽车、医疗等领域。iSuppli在2010年第四季度公布的市场数据显示，截至2014年的5年内，ASIC和ASSP市场逐渐向FPGA市场倾斜，从580亿美元市场分流120亿美元到FPGA领域。在过去10年，ASIC市场份额减少了50%，这部分市场被FPGA行业成功占据。而这从Xilinx成立27以来的收入增长就可以看出。1997年，Xilinx收入为5.68亿美元，而2011年，其收入达到了23.69亿美元。

从Xilinx 27年间的收入曲线可以看出，2006年至2010年间，其收入基本是保持在一个稳定的水平，而2011年却开始了高速增长，年增长率达到30%。这也说明，经历了几年平稳发展的时期，FPGA市场已经迎来了全面爆发的时期。

另外，在全球半导体联盟GSA于2013年4月刚发布的报告中，公布了顶尖20家半导体公司截止到2012年第四季度时的产品毛利率数据。可编程逻辑器件两大厂商Altera和Xilinx榜上有名，分别以69.7%和66.6%位居前列。由此可得，这个行业是一个毛利率非常高和高净利率的行业。

上述四家FPGA厂商的产品都有其特点，例如Xilinx硬件(器件)性能更优异、品种繁多、覆盖面非常广;Altera软件(工具)性能更优异、品种也很多、市场覆盖也很广;Lattice主要面向低端的低成本器件和低功耗器件领域，但品种有限;Microsemi主要面向军工产品，擅长以加固技术实现器件高可靠性。

根据器件发展历程以及市场应用需求发展趋势，FPGA今后仍然主要朝以下几大方向发展：第一，高密度、高速度、宽频带、高保密;第二，低电压、低功耗;第三，低成本、低价格;第四，IP核复用、系统集成;第五，动态可重构及单片集群。这些发展方向并不相互排斥，从Xilinx和Altera最新发布的器件来看，他们可能结合几种发展方向上的特点形成功能性能更强大的产品。

核心技术和知识产权 考验国内FPGA产业

国内FPGA厂商应关注并解决好内核架构设计问题、芯片结构设计问题和软件开发问题。在可编程逻辑器件里，其内核架构是知识产权保护的重点，各公司有超过1/3的专利技术都是从此角度来申请并进行保护。

面对市场的压力以及强劲的竞争对手，国产FPGA公司该如何发展?产业化之路该如何走?我们国内每一位从事该行业的人员都应该问自己这个问题。首先应该从核心或关键技术的挑战以及知识产权问题角度来思考。

第一，解决具有知识产权的FPGA内核架构设计问题。其核心架构包括：一是基本可编程逻辑单元的设计，如查找表LUT(Look-Up Table)、寄存器(FlipFlop)和逻辑单元内部其他特殊逻辑功能与选择器。二是异构单元的设计，如内嵌存储块(BRAM或EMB)、内嵌快速算术单元(MAC或DSP)、输入输出接口模块(IO)和面向应用或具备固定功能的硬核模块(Hard IP)。三是互连结构的设计，如用于同构单元间的局部或全局连线资源(基本互连单元Xbar，多路选择器Mux，不同类型的通道Track、Channel等)、全局网络资源(时钟Clock、复位Reset、使能Clock Enable等)、特殊通道资源(快速连线Crosslink，快速数据通道等)和与其他异构单元、IO模块、微处理器核、存储体等系统连线资源。

在FPGA架构设计中最为核心的内容是逻辑单元的设计和布线互连资源的设计。简单来说，FPGA核心架构设计就是要追求在某种定义的逻辑单元与布线资源下使得芯片功能与性能最优。

第二，解决具有微处理核或其他异构单元的FPGA系统芯片结构定义与设计问题。如前所述，FPGA系统芯片是未来FPGA器件的发展趋势，因此FPGA系统芯片设计除了完成FPGA内核结构设计之外，还应考虑其他模块(特别是微处理单元、存储体、专用功能模块、模拟模块和输入输出部分等)与FPGA内核本身互连互通的设计。FPGA系统芯片结构偏向于从系统层面来考虑问题，包括可编程逻辑部分与非编程逻辑部分互连通道结构、I/O模块与内部各模块的互连方式、异构存储模块的划分和配置，以及系统中各模块的物理分布结构等。利用高效的布线结构，通过多路复用器将每个可编程逻辑单元与其他各类异构单元连接成高度关联的矩阵，矩阵内的资源提供灵活多样的接入或输出方式，有效地实现控制与数据通路，使FPGA系统芯片更加符合特定应用领域的需求，确保结构更优、性能更高、功耗更小、成本更低、产品周期更长。

如何设计FPGA系统芯片是非常关键的问题，也是技术难点。在FPGA系统芯片设计范畴内，不能简单地将其理解为纯的FPGA芯片，可以理解为具备微处理单元的可配置的系统芯片。CPU+FPGA这种模式的出现是必然的趋势，它最大限度地发挥了软件可编程、硬件可重构的特点。

第三，解决FPGA软件开发问题。一个好的FPGA架构能有效地支持FPGA软件开发，同时一个好的FPGA软件能最大限度地利用FPGA架构的特性来优化设计。在定义架构的同时，事实上就应有辅助架构设计的软件分析与评估工具。这些工具会输入架构的参数化描述，同时基于大量的测试实例，反复迭代优化，调整优化算法，逼近优化目标。

FPGA的软件流程包括综合映射、布局布线等核心步骤。从设计优化的角度来说，主要以面积、速度、功耗为优化目标，努力满足各项用户约束并实现最优。在这其中，每一个关键步骤都是多目标的NP组合优化问题，如何能在最短的时间内找到最优解一直是技术难点。

在知识产权方面，对FPGA的诞生起到至关重要作用的专利在几年前到期，已不再受保护。其中包括在1988年授予赛灵思联合创始人Ross Freeman的原始FPGA专利。不过大多数专利仍由Xilinx和Altera把持。需要指出的一点是，在可编程逻辑器件里，其内核架构是知识产权保护的重点，各公司有超过1/3的专利技术都是从此角度来申请并保护。

各家FPGA公司都围绕其内核结构大做文章。但架构本身并无一种“最好最优”的说法。我们经常看到Xilinx和Altera在发布最新器件系列白皮书时分析并指出对方架构潜在的缺点，以对比突出自身产品架构的优势。总的来说，FPGA内核架构是集多种约束条件考虑下，如评估测试、工艺制造、管脚封装、硬件实现、软件设计、应用开发等，使实现结果达到平衡折中的一种体现。而国内的FPGA厂商关注并解决好其内核架构设计问题、芯片结构设计问题和软件开发问题即可。

突破国外垄断 创新是关键

如何突破、如何创新一直是困扰国内FPGA公司的难题。做中低端产品，在同样工艺节点下如何有效地解决芯片成本、性能和功耗问题是关键。做高端产品，如何解决产品的可靠性问题以及如何开发高效能的软件工具是关键。

从FPGA芯片研制的工程化方面来思考问题。

第一，FPGA芯片工程化的挑战主要涉及三大过程：从市场需求文档的定义，到设计文档生成，再到实现流片的全过程;从样片测试与调试，到问题检验与修复，再到芯片量产全过程;芯片量产后的过程(测试环境再验证、产品数据再验证、产品可靠性再验证)。

由于芯片工程化的过程是在一定时间、一定资源条件约束下来开展的，因此需要遵循有效的“时间/过程/质量”综合的管理方法。研制样片不是一件难事，而将样片量产，真正交货到客户手上并非易事，需要多方位多层次的团队合力促成。

第二，软件工程化的挑战主要包括：对大型软件工具开发的能力(软件能力成熟度模型)、对软件工程规范性的执行能力、对软件开发成果的持续积累能力。

FPGA软件产品中EDA工具的开发是一个持续性并不断“自我学习”的过程，它与内核架构的融合需要很长的时间，不是一蹴而就的事情。如果把FPGA产品研发中为硬件所付诸的努力比作“1”的话，那么为软件要付诸的努力大于“2”。从产品竞争的角度来看，软件的比重会越来越重。很多FPGA初创公司之所以失败也是因为软件工具没做好。

接着考虑一下国产FPGA市场环境、投入和发展现状问题。众所周知，FPGA在经济发展各领域中具有广泛的应用，中国民用市场上的FPGA器件几乎100%地依赖进口，市场容量估计每年超过10多亿美元。但美国销售许可的限制不仅影响华为、中兴等中国巨型企业依赖进口FPGA核心器件开发整机产品的能力，也会影响其他重要行业在产品布局和商业模式上的考虑。虽然中国各级政府多年来投入了大量的科研经费，但由于知识产权、软件技术和生产工艺等多方面的限制，关键技术难以突破，未真正实现国产FPGA产业化。

另外，国内FPGA厂商通过为那些不具备独立流片条件的企业提供基于FPGA技术的产品，帮助他们在多种领域内灵活解决终端客户的设计问题，这种模式符合国内中小企业多、研发力量弱的实际情况。中国市场聚集了众多以方案设计/系统整合为主的高科技企业，这些企业能够在具有不同特点的低端和中高端FPGA产品的支持下，顺利设计出自己的产品，快速走向市场，以最低市场设计风险参与竞争。

但从事过FPGA芯片研制的企业常言FPGA“麻雀虽小，却五脏俱全”。例如其研发周期不同于ASIC等其他芯片的研发周期。可能一代成功的产品花费7年甚至10年周期不足为奇，包括市场分析、产品定位、架构设计、硬件实现、软件支撑、芯片制造/封装/测试等一系列过程。然而对于软件而言，可能需要在此基础上再花好几年的时间才能最大限度地发挥这款芯片的特点与优势。

再者，在FPGA行业高度垄断的情况下，如何突破、如何创新一直是困扰国内FPGA公司的难题。如果做中低端产品，在同样工艺节点下如何有效地解决芯片成本、性能和功耗问题是关键。做高端产品，如何解决产品的可靠性以及如何开发高效能的软件工具是关键。

最后，即使有了好的芯片和开发工具还不够，还需要更多的应用开发团队进行支持。FPGA不是终端产品，其本身是一张白纸，需要由方案设计人员在上面勾画出美景。因此上文有提到，如果把硬件实现比作“1”的话，软件开发要大于“2”，而为应用开发所付诸的努力则要远远大于“4”。如果一个FPGA产品没有好的应用支持团队开发各类应用或参考设计，产品也很难在市场上有所表现。