中国的FPGA处于什么水准?发展前景分析

　　fpga突出特点

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。采用FPGA设计ASIC电路（专用集成电路），用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

　　fpga配置模式

　　FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

　　如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

　　例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1，200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。

　　幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度地帮助系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。最近FPGA的配置方式已经多元化！

　　fpga典型应用

　　典型应用一：接口逻辑控制——提供前所未有的灵活性

　　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、电平转换，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

　　典型应用二：高速的数字信号处理——提供前所未有的计算能力

　　1、无线通信领域，如软件无线电（SDR）；

　　2、视频图像处理领域，如高清晰数字电视（HDTV）；

　　3、军事和航空航天领域，如雷达声纳、安全通信。

　　其他应用领域

　　1、汽车，如网关控制器、车用PC、远程信息处理系统等；

　　2、消费产品，如显示器/投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络等；

　　3、医疗，如电疗、血液分析仪、医疗检测设备等

　　4、通信设备 ，如蜂窝基础设施、宽带无线通信、软件无线电等

　　5、测试与测量，如通信测试与监测、半导体、自动测试设备、通用仪表等。

　　全球FPGA发展概况

　　从市场规模来看，全球FPGA近几年基本维持在50亿美元左右，应用则以传统通信市场为主，云计算、IoT等新兴市场尚在培育期。

　　Xilinx、Altera、Lattice三家厂商营收始终位于全球前三甲，每年的营收、净利润增长以及毛利率都相对稳定。

　　参加此次FPGA邀请赛高峰论坛的深圳市紫光同创电子有限公司营销中心总经理包朝伟表示，这三家厂商占据绝大部分的市场份额，尤其是Xilinx，长期占据行业龙头位置，年产值超过23亿美元，全球市场份额超过50%，且还在持续增长。

　　技术方面，近十年FPGA没有根本性的进步，行业垄断已经形成。

　　Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi等厂商共计拥有超过10000件专利，占总量60%以上，FPGA架构和核心电路、应用方案，基本被这几家国外厂商专利网覆盖，后进者发展受到极大限制。

　　资料显示，Xilinx Virtex UltraScale Plus系列产品，采用16纳米先进制程工艺，拥有超过28520万门，Serdes速率为32.75Gbps ，即将开始量产，在技术上依旧领先竞争对手。

　　中国的现状和机遇

　　数据显示，中国FPGA市场国产化率非常低，政府部门国产应用率不足30%，还有很大提升空间，商用市场国产化率就更低，形势不容乐观。

　　包朝伟表示，国内厂商FPGA产品在中国市场的份额总计不足5%，只有紫光同创、安路等厂商在中低密度市场取得了一些成绩。

　　不过，由于全球绝大部分FPGA专业人才集中在前几家龙头厂商，其它厂商人才匮乏，再加上FPGA开发需要最先进的制造封测工艺、软件开发难度大、IP多且杂，需要大量应用才能支撑市场，因此中国目前的发展存在严重滞后的问题。

　　当然，这也是国内厂商的发展机会。从信息、产业和国防安全等方面考虑，中国不仅需要自主FPGA，而且还需要将其快速国产化。在AI、IoT、5G快速发展和即将商用的情况下，预计将带来庞大的FPGA增量市场，而这也是国内厂商快速切入的时机。

　　据悉，紫光同创Titan系列FPGA产品采用40纳米制程工艺，拥有超过2500万门，Serdes速率为6.25Gbps，目前已经量产，并在通信、安全等中高密度市场逐步打开局面。

　　当前，在国家大力支持集成电路产业发展的环境下，对于尚不够强大的中国FPGA企业来说不失为黄金发展时机，如何把握机会快速做大做强将是对每一家企业的考验。

　　全球FPGA市场发展前景展望

　　通常来说半导体产业是周期性行业，其周期一般为4到5年。但是随着新技术和应用的快速发展，现今半导体周期越来越短，且每一个周期都有典型应用作为拉动点，比如过去的PC、后来的通信行业。FPGA也明显符合这种规律。但不同的是，当ASIC和ASSP萧条的时候，往往迎来FPGA的大发展。2008年以来的金融危机使得半导体行业平均跌幅大于10%，但是市场数据却显示FPGA行业依然强劲增长。危机和低迷使ASIC和ASSP制造者为谨慎起见，不敢贸然推出新产品，避免巨大的NRE费用。而FPGA恰好能迎合这一需求。

　　当今，半导体市场格局已成三足鼎立之势，FPGA，ASIC和ASSP三分天下。市场统计数据表明，FPGA已经逐步侵蚀ASIC和ASSP的传统市场，并处于快速增长阶段。

　　在全球市场中，Xilinx、Altera两大公司对FPGA的技术与市场仍然占据绝对垄断地位。两家公司占有将近90%市场份额，专利达6000余项之多，而且这种垄断仍在加强。同时，美国政府对我国的FPGA产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运，使得国家在航天、航空乃至国家安全领域都受到严重制约。因此，研发具有自主知识产权的FPGA技术与产品对打破美国企业和政府结合构成的垄断，及国家利益意义深远。

　　作为一种可编程逻辑器件，FPGA在短短二十多年中从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心。伴随半导体工艺技术的进步，FPGA器件的设计技术取得了飞跃发展及突破。通过FPGA器件的发展历程来看，今后仍将朝下以下几个方向发展：

　　•高密度、高速度、宽频带、高保密;

　　•低电压、低功耗、低成本、低价格;

　　•IP软/硬核复用、系统集成;

　　•动态可重构以及单片集群;

　　•紧密结合应用需求，多元化发展。