何时能真正实现国产FPGA替代?

近日紫光同创率先打响了国产28nm FPGA的第一枪，这是一个好的开始，也是一个较正面的信号。为什么是28nm呢？从90nm、65nm、40nm、再到28nm，FPGA可谓摩尔定律最坚定不移的“执行者”。FPGA进入28nm制程之后，不仅功能与整合度能超越传统FPGA，最重要的是，产品性价比也进一步逼近ASSP与ASIC。FPGA突破了以往功耗过高的问题，逐渐发展成为高性能、低功耗以及小尺寸的代名词。这让过去一直为ASIC、ASSP等核心处理器充当“配角”的FPGA登上舞台中央，越来越多的开发者对FPGA的青睐度骤升。

那么28nm对国产FPGA究竟意味着什么？我们能替代Xilinx的哪些级别的产品？何时能真正实现国产FPGA替代？今天我们就来聊聊这些大家关注的问题。

撬开28nm FPGA的大门

谈到28nm，不得不从国外的两大FPGA巨头开始说起。其实早在2010年开始，国外的Altera和Xilinx就开始了28nm之战。2011年，这两大巨头，同时发布了采用最新一代28nm工艺的FPGA工程样片。自此，FPGA正式进入28nm时代。截止到目前为止，Xilinx的28nm产品仍然被全球很多客户使用。据推断，28nm FPGA产品至少有7-8年以上的生命周期。

而另一家FPGA巨头Lattice公司直到2019年12月推出了业界首款28nm基于FD-SOI的FPGA平台—Nexus平台，Nexus平台提供的第一个产品是CrossLink-NX，它有两个版本，分别是17k逻辑单元和40k逻辑单元。

被Microsemi收购的Actel也于2019年推出了28nm的全FLASH工艺FPGA，密度覆盖10K-500K LUTs左右产品，属于中高端产品。不过其产品相对较贵，新产品的推广在当前国产化大潮下可能不易。

国内方面大部分企业已开始了28nm的研发。紫光同创是国内第一家推出28nm FPGA芯片的厂商，其Logos-2系列产品PG2L100H产品密度为100K，采用28nm CMOS工艺制程，相对于40nm工艺Logos-1系列FPGA性能提升50%，总功耗降低40%。这对国产FPGA来说是一个好的信号，但有专业人士分析到，这只是FPGA高端产品“万里长征”中的一小步，硬件本身的性能有待验证，软件和IP还有很长的路要走。打个比方说，这个28nm 100K的产品就像制造出了一张硬弓，至于能不打开这张弓，能不能射，射不射得准还要看这个软件行不行。

除了紫光同创，安路和高云的28nm FPGA也都在研发中，预计2020年均会发布样品，密度也是100K左右。而京微齐力预计将在明年推出22nm的系列化产品。业内人士告诉半导体行业观察记者，国内300K左右的产品预计都要在2021年-2022年发布。

关于28nm的发展情况，京微齐力CEO王海力表示：“按照28nm系列化FPGA产品上市的时间来看，国内FPGA厂商与国外相比时间差大约为10年。但是世界上第三大FPGA厂商美国Lattice也是2019年年底才发布全新的28nm产品。因此28nm工艺对于FPGA厂商而言，还是一个有“价值空间”的工艺布局。”

随着国内FPGA厂商全面进入28nm千万门级产品的研发，意味着中国FPGA厂商已经开始真正进入与美国Xilinx和Intel的直面竞争阶段。那么我们离实现国产替代究竟有多远？

就目前而言，要真正实现国产替代仍任重道远。业内专业人士指出，所有的国产FPGA替代国外品牌，都以密度（容量）为最基本单元，同等密度下其它资源均会参考国外品牌的设定，一般其它资源相当或略多一些。接下来我们就从正向设计和反向设计两大方面来分析国产FPGA替代的程度和时间节点的大致情况。

反向设计进展：可稳定量产Xilinx15-20年前的产品

首先来看反向设计，这是国产FPGA最早涉及的领域。反向设计是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉，可用来验证设计框架或者分析信息流在技术上的问题，也可以助力新的芯片设计或者产品设计方案。

反向设计的FPGA主要是为军方或航天服务，国内有几家反向据称可以做到V6系列的一部分，去年也有厂商宣布推出了K7-325T的反向芯片样品。

国内还有几家做民用反向的，据业内知情人士透露，他们主要反向Lattice早期在军方用到的ispLSI 1K/2K的产品，还有民用市场中小容量的ALTERA/Lattice的产品，240/570个LUT容量的CPLD，以及6K/10K LUTs级别的低端FPGA。据说目前也有推出16K/20K LUTs级别的反向芯片。但据闻有些做反向的团队，已经组建了FPGA芯片正向研发生产团队，慢慢开始正向设计。

总体来看，目前反向设计已经可以稳定量产V2/V4级别 ，这相当于Xilinx 15-20年前的产品。低端FPGA的反向设计主要集中在LED市场和小部分工控市场。

但反向设计的弊端也比较明显的。除了知识产权的问题以外，随着工艺越来越先进，反向破解的难度越来越大，反向研究的成本也越来越大。再就是反向设计的软件相对粗暴，它直接用国外品牌的开发软件，在调试过程中用到的仿真，时序分析，时序约束，在线调试等工具都需用国外品牌的软件。国产的软件只提供最后的比特流转换，少部分会用国外品牌软件生成的网表文件重新布局布线。

反向设计的FPGA也因性能和稳定性的问题，在市场上有不少诟病，导致了很多企业对国产芯片的再度不信任。所以FPGA正向设计越来越受到重视。

正向设计可圈可点：可全面替代Lattice以及部分Xilinx的产品

在正向设计领域，代表企业主要有紫光同创、京微齐力、高云半导体、上海安路。从最早开始做正向设计的京微雅格开始算起（后重组为现在的京微齐力），经过近10年的努力，国产FPGA厂商在低端FPGA产品，包括软件和生态上，国产FPGA厂商都进展不错。我们可以看到在LED显示、消费类等应用上国产FPGA产品都进行了规模应用。

据业内专业人士告诉半导体行业观察记者，当前国产FPGA仍然以55nm或40nm为主，而且密度较小，只能覆盖和替换Xilinx Spartan 6/7的低半段产品，而密度在50K以上的较高端产品量产时间均较长，主要是因为软硬件协同和硬件效能充分发挥需要非常时间和项目积累。目前国产几家FPGA厂商在研的产品都是28nm级别产品，有望在2年内实现对Lattice产品替换的全覆盖，以及Xilinx/ALTERA中低端产品的全覆盖。

下面我们就将Xilinx和Lattice 的产品系列拆分开，更深入的了解哪些产品能实现覆盖。

首先看28nm产品的覆盖情况。据王海力的分析，在28nm产品线中，Xilinx有低端Spartan-7系列（6K-100K，共6款芯片），高性价比Artix-7系列（12K-200K，共8款芯片），中高端Kintex-7（70K-480K，共7款芯片），高端Virtex-7（330K-2000K，共11款芯片），虽然同一系列里面有一些die是相同的，但算下来也有20多颗独立的FPGA芯片，加上派生出不同封装，同时集成不同的接口（带Serdes或不带Serdes），其组合将达到上百款产品供客户选择。

因此，在王海力看来，即使中国FPGA厂商全部并全面进入28nm产品研发和交付，也将花相当一段时间才能做到一定规模的替代。中高端主流FPGA产品的竞争仍需大量资金和人力的投入，任重道远。

其次我们来看其不同系列所对应的国产FPGA情况，Spartan系列是Xilinx出货量最大的产品系列，据了解，其Spartan 6系列预计还会供货至2027年，Spartan 3/2/1代（没有4/5代）也还有在销售，但是量已非常少，大部分已停产。在性能上，Xilinx的Spartan 7性能稍强一点，国产同等资源FPGA产品可以差不多做到取代Spartan 6。

紫光同创的28nm产品的密度为100K，这可以覆盖Artix-7大部分的产品，但只够K7的入门级。

Xilinx的Zynq 7系列，可以理解为在A7基础上加上ARM 硬核，A7内核+ARM Cortex A9单核（766MHz）或双核（866MHz），各有三个密度：23K/55K/65K， 以及28K/74K/85K。业内人士指出，目前国产FPGA尚无同类型产品面市，主要是因为ARM CPU软核的外设IP及软件的开发量巨大，设计难度也大。几年内恐难有与Xilinx匹敌的产品和软件平台面市。

而Virtex7及以上产品就更遥不可及了，Xilinx的Virtex7及以上FPGA的产品工艺先进，主频非常高，内部资源丰富，是一个庞大的系统芯片，软件开发也非常复杂，十年内国产无法替代。

Lattice曾经是CPLD的霸主，在低端FPGA领域也很有竞争力，据了解，10 K LUTs以下的FPGA市场基本上都是Lattice的天下，其中他们的XO/XO2/XO3三个系列更是这个市场当之无愧的霸主。在7K LUTs以下的低端FPGA和CPLD市场，可以说Lattice占据了超过90%的市场。不过他们在高端FPGA方面进展并不顺利。

具体来看，Lattice的中低端FPGA系列是ECP3/ECP5系列。ECP3主要是17K/35K/70K/95K/150K这5个密度，出货量大的还是17K/35K这两个级别。

Lattice的第一款28nm的产品密度在28K左右，主要是面向消费类和视频类应用的市场。预估其后续推出的28nm产品也是在100K LUTs以内的。而且Lattice在过去几年迎来了离职潮，大部分骨干人才流向了紫光同创、高云半导体和上海安路等。业内人士分析指出，从现有产品产品和技术来看，Lattice基本是国产FPGA可以较快全部覆盖的。

业内资深人士还预测，国产FPGA新产品开发到2020年~2021年，将陆续进入28nm工艺，可取代A7大部分产品，少部分K7产品；2021年~2023年这个时间段将能够完全覆盖A7的产品，进入K7 350K LUTs左右的级别；而到2023~2025年将完全覆盖K7，实现低端V7水平。

国产FPGA该如何发展？

根据制程技术，FPGA市场分为<28nm，28nm-90nm，> 90nm。由于不断发展的产品开发和对该工艺技术的投资，预计在未来几年中>28 nm的份额将实现高速增长。半导体制造商更喜欢小尺寸的节点，基于28 nm工艺技术的低端FPGA提供了最低的系统成本和功耗，并具有足以在多种应用中替代高端FPGA的性能水平。

虽然28nm是FPGA的一大发展目标，但王海力认为，国内厂商也不应该一味地追求先进工艺下FPGA的布局，应该深入与客户交流他们对未来FPGA技术指标的需求，在某些关键技术指标上与Xilinx相关产品形成差异化设计，比如在同等逻辑规模前提下，优化内核架构，提升接口速率，DDR性能，或集成一些专属功能的IP、集成CPU/MCU内核等方面做文章。在封装上，面向客户需求，开发出更具性价比的封装形式。

为了能够更好的追上国外的先进水平，减少国内企业的竞争，打破国内FPGA芯片、软件系统平台的分散，更好的利用整体资源，王海力是这样认为的，第一，国内FPGA企业避免同质化产品竞争；第二，国内FPGA产业链需进一步加大FPGA和EDA人才培养力度，支持国产FPGA大学计划，鼓励开展设立国产FPGA厂商与高校科研院所联合实验室，对于核心基础技术进行前期研发。第三，在国家部委指导下，协调FPGA“产学研用” 资源，集中优势力量，对FPGA技术中共性关键问题进行联合攻关。

行业从业人员也告诉笔者，对国产FPGA而言，软件是必须加强的一环。他指出，上文谈到的国产FPGA与国外巨头的替代，在不少产品上只体现了产品硬件指标方面的覆盖。但在FPGA这个领域，你不但需要开发芯片，还需要为开发者开发软件，且整个过程非常复杂啊。在软件方面，包括开发软件的稳定性，效能，易用性等方面还需要很长时间的积累和提高。而中高端产品的开发还需要很多成熟的验证过的IP，这一直是国产FPGA的短板。另外，在SoC产品的开发方面，国产FPGA也相对比较落后。

“短时间来看，在产品方面，FPGA厂商需要尽快往高密度发展，但高密度需要大量资金以及客户试用、试错；在市场方面，随着国产化大的趋势下，国内客户也广开绿灯，这对国产厂商来说是一个很好的机遇，国内几家厂商在消费类、LED、工控市场要尽快有出货。”，知情人士强调。
责任编辑：tzh