FPGA产业发展的三大特色和趋势，国产FPGA厂商有怎样的机遇和挑战

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）统计数据显示，2022年全球FPGA市场规模为79.4亿美元，2023年成长为93.6亿美元，2016-2023这几年的年复合增长率达10.1%。FPGA是在PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物，具有硬件可重构的体系结构，其数字电路可以通过编程的方式在芯片出厂后重新构造，具有并行性、低延时性和灵活性等特性，应用领域非常广泛。

近日，赛迪顾问股份有限公司集成电路中心主任腾冉表示，全球FPGA产业发展有三大特点和三大趋势。那么，在其中国产FPGA厂商面临着怎样的机遇和挑战呢？
 

FPGA产业的三大特点和三大趋势

根据腾冉的介绍，FPGA器件的第一个特点是，其是兼具灵活性和性能的半定制性集成电路。具体表现为：首先，FPGA器件具有极高的设计灵活性，属于硬件可重构的芯片结构，内部具有数量丰富的可编程输入输出单元引脚及触发器：其次，FPGA具有适用便捷的属性，属于专用电路中开发周期最短、应用风险最低的器件之一；再次，FPGA在并行计算方面具有明显的性能优势，芯片内部可按照数据包步骤数量搭建相对应的流水线，从而实现数据并行、流水线并行；最后，FPGA具有极高的器件兼容性，可与CMOS等大规模集成电路兼容，进行协同工作。
 
FPGA器件的第二个特点是行业具有明显的“小而美”特征。首先，FPGA的行业集中
度非常高，龙头企业占据极高的市场份额，目前全球TOP4级别的FPGA厂商占据85%左右的市场份额，与此同时，FPGA具有极强的用户粘性，软硬件形成极强的用户绑定，用户转化器件需要付出很高的成本代价，因而非常容易被锁定，进而在整个产品生命周期形成稳定的需求量；其次，虽然FPGA总体市场规模只有百亿级别，但拥有极高的行业壁垒，以及确定清晰的竞争格局，使得资本市场对FPGA企业的估值在同类数字芯片公司中位居前列，基于此，FPGA龙头企业在研发投入上具有明显的规模效应，龙头企业的研发费率近30%；最后，FPGA是一个利润丰厚的产业，龙头企业的毛利率稳定在60%以上，资本回报率持续保持在15%以上，由于模式清晰，龙头企业可以用高标准化芯片覆盖长尾的市场需求。
 
FPGA器件的第三个特点是基于专用的EDA软件，造成极高的生态壁垒。首先，FPGA芯片需要软硬件协同发展以实现功能配置，FPGA专用EDA软件工具的编程复杂程度及高度专用性构建了一个差异化的生态壁垒：其次，在FPGA软件工具设计流程中，除部分前端流程可借助外部工具，其余环节需要FPGA厂商进行自主研发匹配，软件具有非常强的企业特色；最后，FPGA是一个软硬件相互驱动的器件，设计流程往往是软件先行，软件工具的研发水平对硬件规模和性能有很大影响。
 
在这三大特点下，FPGA未来的发展也会有明显的三大趋势。第一个趋势是全球FPGA市场规模将继续稳步增长：首先，FPGA产品在各行各业重要性和采用率依然会不断提升，保持一个高个位数或者低双位数的年复合增长率；其次，后续市场发展中，低阶、中端、高阶（规模容量）FPGA产品的份额占比约为35%、28%、37%；最后，FPGA市场的技术多样性凸显了根据特定应用要求定制硬件解决方案的重要性，确保许多行业从这些多功能器件中受益。
 
第二个趋势是FPGA应用领域在广度和深度层面不断增加，包括工业、通信和数据中心等大场景，以及消费电子、汽车电子和边缘AI等零碎的场景。比如，在通信场景中，FPGA的应用是非常广泛的，可实现大量高速数字信号处理功能，在多通道波束成型中更具灵活性，且能够满足5G的高并发处理需求；再比如在汽车电子场景中，汽车电子系统当中的逻辑单元较多时，采用 FPGA技术能够将这些逻辑单元准确排列，提高汽车电子系统中逻辑单元的利用率，另外FPGA方案适应于多传感器融合、计算加速平台等领域。
 
第三个趋势是国产FPGA产业发展持续向好，将会在高容量和特殊领域FPGA产品方面迎来巨大的发展机遇。
 
不过，对于国产FPGA厂商而言，最大的挑战来自工艺制程。先进工艺对FPGA容量提升贡献最大。从工艺制程来看，目前28nm-90nm制程FPGA在性价比和良品率方面具有很大的优势，但是更先进的FPGA产品和可编程SoC就需要更先进的制程，这是一个巨大的挑战。当然，EDA方面的挑战也是不容忽视，不过从用户体验来看，目前国产FPGA在软件方面的部署和迁移支持等方面，已经能够提供非常不错的体验。
 

国产FPGA产业发展

腾冉在报告中指出，目前国产FPGA厂商发展主要处于第二和第三梯队。其中，第二梯队厂商包括安路科技、中微亿芯、紫光同创和复旦微，处于第三梯队的国产FPGA厂商包括高云、智多晶、中科亿海微、京微齐力和易灵思等。
 
安路科技创立于2011年11月，是国内领先的集成电路设计企业。该公司具备FPGA芯片硬件和FPGA编译软件的自主研发能力，专注于研发通用可编程逻辑芯片技术及系统解决方案。2021年，安路科技在上交所科创板成功上市，成为A股首家专注于FPGA业务的上市公司。安路科技的FPGA产品包括SALEAGLE系列、SALELF系列、SALSWIFT系列、SALPHOENIX系列和SALDRAGON系列。
 
中微亿芯成立于2013年12月，该公司拥有实力雄厚的设计团队，重点瞄准28nm-16nm，已经完成亿门级FPGA的研发设计。中微亿芯FPGA广泛应用于各种数字电路系统中，包括通信、计算机、工业控制、医疗、汽车电子等领域。
 
紫光同创专业从事可编程系统平台芯片及其配套EDA开发工具的研发与销售，致力于为客户提供完善的、具有自主知识产权的可编程逻辑器件平台和系统解决方案。该公司FPGA产品系列包括Kosmo Family、Titan Family、Logos Family和Compa Family。
 
复旦微于1998年7月创办，是国内从事超大规模集成电路的设计、开发、生产（测试）和提供系统解决方案的专业公司。在FPGA方面，复旦微率先开发了国内首款亿门级FPGA、国内首款异构融合亿门级PSOC芯片，以及国内首款面向人工智能应用的可重构芯片FPAI（FPGA+AI）芯片。该公司FPGA系列产品广泛应用于通信、人工智能、工业控制、信号处理等领域。
 
高云半导体成立于2014年，是一家专业从事FPGA研发与设计的国产FPGA高科技公司，致力于向客户提供从芯片、EDA开发软件、IP、开发板到整体系统解决方案的一站式服务。高云的可编程逻辑产品包括晨熙家族、小蜜蜂家族、Arora Ⅴ系列和GoBridge家族。
 
智多晶成立于2012年，总部位于西安，创始团队拥有三十多年丰富的FPGA设计制造经验，曾就职于海外该领域领先企业，并担任多个专业方向技术带头人。智多晶的可编程逻辑器件包括Shark 7000 FPGA系列、Seal 5000 FPGA系列、Sealion 2000 FPGA系列、Sealion 2000 CPLD系列和Seagull 1000 CPLD系列。
 
中科亿海微是中国科学院“可编程芯片与微系统”研究领域的科研与产业化团队，按照国家创新驱动发展战略，发起成立的以“可编程逻辑IP核与EDA工具”为技术特色，以FPGA、自适应SoC、可重构计算系统等产品设计与服务为主营业务的高新技术企业。中科亿海微的可编程逻辑器件包括亿海神针系列、亿海神盾系列和系统级芯片。
 
京微齐力是国内较早进入自主研发、规模生产、批量销售通用FPGA芯片及新一代异构可编程计算芯片的企业之一。该公司的可编程逻辑产品包括HME - H（大力神）、HME - P（飞马）、HME - R（河）和HME - M（山）系列。
 
易灵思是一家国产FPGA公司，采用逻辑和路由可以互换的XLR结构，革命性地发明了突破性的Quantum架构，PPA优势是传统FPGA公司的4倍。易灵思的FPGA产品包括Trion FPGA系列和钛金FPGA系列。
 

结语

目前，国产FPGA企业在产品类型方面，已经全面覆盖千万门级、亿门级和可编程SoC的产品形态。不过，在器件性能和工艺制程方面，和国际厂商依然有很大的差距。后续，由于工艺制程的限制，预计先进封装技术将成为国产FPGA厂商提升产品性能的主要手段之一。