國產FPGA跨入28nm，意味着什麼？_風聞

來源：內容由公眾號半導體行業觀察（ID:icbank）原創，作者：杜芹，謝謝！

近日紫光同創率先打響了國產28nm FPGA的第一槍，這是一個好的開始，也是一個較正面的信號。為什麼是28nm呢？從90nm、65nm、40nm、再到28nm，FPGA可謂摩爾定律最堅定不移的"執行者"。FPGA進入28nm製程之後，不僅功能與整合度能超越傳統FPGA，最重要的是，產品性價比也進一步逼近ASSP與ASIC。FPGA突破了以往功耗過高的問題，逐漸發展成為高性能、低功耗以及小尺寸的代名詞。這讓過去一直為ASIC、ASSP等核心處理器充當“配角”的FPGA登上舞台中央，越來越多的開發者對FPGA的青睞度驟升。

那麼28nm對國產FPGA究竟意味着什麼？我們能替代Xilinx的哪些級別的產品？何時能真正實現國產FPGA替代？今天我們就來聊聊這些大家關注的問題。

撬開28nm FPGA的大門

談到28nm，不得不從國外的兩大FPGA巨頭開始説起。其實早在2010年開始，國外的Altera和Xilinx就開始了28nm之戰。2011年，這兩大巨頭，同時發佈了採用最新一代28nm工藝的FPGA工程樣片。自此，FPGA正式進入28nm時代。截止到目前為止，Xilinx的28nm產品仍然被全球很多客户使用。據推斷，28nm FPGA產品至少有7-8年以上的生命週期。

而另一家FPGA巨頭Lattice公司直到2019年12月推出了業界首款28nm基於FD-SOI的FPGA平台—Nexus平台，Nexus平台提供的第一個產品是CrossLink-NX，它有兩個版本，分別是17k邏輯單元和40k邏輯單元。

被Microsemi收購的Actel也於2019年推出了28nm的全FLASH工藝FPGA，密度覆蓋10K-500K LUTs左右產品，屬於中高端產品。不過其產品相對較貴，新產品的推廣在當前國產化大潮下可能不易。

國內方面大部分企業已開始了28nm的研發。紫光同創是國內第一家推出28nm FPGA芯片的廠商，其Logos-2系列產品PG2L100H產品密度為100K，採用28nm CMOS工藝製程，相對於40nm工藝Logos-1系列FPGA性能提升50%，總功耗降低40%。這對國產FPGA來説是一個好的信號，但有專業人士分析到，這只是FPGA高端產品“萬里長征”中的一小步，硬件本身的性能有待驗證，軟件和IP還有很長的路要走。打個比方説，這個28nm 100K的產品就像製造出了一張硬弓，至於能不打開這張弓，能不能射，射不射得準還要看這個軟件行不行。

除了紫光同創，安路和高雲的28nm FPGA也都在研發中，預計2020年均會發布樣品，密度也是100K左右。而京微齊力預計將在明年推出22nm的系列化產品。業內人士告訴半導體行業觀察記者，國內300K左右的產品預計都要在2021年-2022年發佈。

關於28nm的發展情況，京微齊力CEO王海力表示：“按照28nm系列化FPGA產品上市的時間來看，國內FPGA廠商與國外相比時間差大約為10年。但是世界上第三大FPGA廠商美國Lattice也是2019年年底才發佈全新的28nm產品。因此28nm工藝對於FPGA廠商而言，還是一個有“價值空間”的工藝佈局。”

隨着國內FPGA廠商全面進入28nm千萬門級產品的研發，意味着中國FPGA廠商已經開始真正進入與美國Xilinx和Intel的直面競爭階段。那麼我們離實現國產替代究竟有多遠？

就目前而言，要真正實現國產替代仍任重道遠。業內專業人士指出，所有的國產FPGA替代國外品牌，都以密度（容量）為最基本單元，同等密度下其它資源均會參考國外品牌的設定，一般其它資源相當或略多一些。接下來我們就從正向設計和反向設計兩大方面來分析國產FPGA替代的程度和時間節點的大致情況。

反向設計進展：可穩定量產Xilinx15-20年前的產品

首先來看反向設計，這是國產FPGA最早涉及的領域。反向設計是通過對芯片內部電路的提取與分析、整理，實現對芯片技術原理、設計思路、工藝製造、結構機制等方面的深入洞悉，可用來驗證設計框架或者分析信息流在技術上的問題，也可以助力新的芯片設計或者產品設計方案。

反向設計的FPGA主要是為軍方或航天服務，國內有幾家反向據稱可以做到V6系列的一部分，去年也有廠商宣佈推出了K7-325T的反向芯片樣品。

國內還有幾家做民用反向的，據業內知情人士透露，他們主要反向Lattice早期在軍方用到的ispLSI 1K/2K的產品，還有民用市場中小容量的ALTERA/Lattice的產品，240/570個LUT容量的CPLD，以及6K/10K LUTs級別的低端FPGA。據説目前也有推出16K/20K LUTs級別的反向芯片。但據聞有些做反向的團隊，已經組建了FPGA芯片正向研發生產團隊，慢慢開始正向設計。

總體來看，目前反向設計已經可以穩定量產V2/V4級別 ，這相當於Xilinx 15-20年前的產品。低端FPGA的反向設計主要集中在LED市場和小部分工控市場。

但反向設計的弊端也比較明顯的。除了知識產權的問題以外，隨着工藝越來越先進，反向破解的難度越來越大，反向研究的成本也越來越大。再就是反向設計的軟件相對粗暴，它直接用國外品牌的開發軟件，在調試過程中用到的仿真，時序分析，時序約束，在線調試等工具都需用國外品牌的軟件。國產的軟件只提供最後的比特流轉換，少部分會用國外品牌軟件生成的網表文件重新佈局佈線。

反向設計的FPGA也因性能和穩定性的問題，在市場上有不少詬病，導致了很多企業對國產芯片的再度不信任。所以FPGA正向設計越來越受到重視。

正向設計可圈可點：可全面替代Lattice以及部分Xilinx的產品

在正向設計領域，代表企業主要有紫光同創、京微齊力、高雲半導體、上海安路。從最早開始做正向設計的京微雅格開始算起（後重組為現在的京微齊力），經過近10年的努力，國產FPGA廠商在低端FPGA產品，包括軟件和生態上，國產FPGA廠商都進展不錯。我們可以看到在LED顯示、消費類等應用上國產FPGA產品都進行了規模應用。

據業內專業人士告訴半導體行業觀察記者，當前國產FPGA仍然以55nm或40nm為主，而且密度較小，只能覆蓋和替換Xilinx Spartan 6/7的低半段產品，而密度在50K以上的較高端產品量產時間均較長，主要是因為軟硬件協同和硬件效能充分發揮需要非常時間和項目積累。目前國產幾家FPGA廠商在研的產品都是28nm級別產品，有望在2年內實現對Lattice產品替換的全覆蓋，以及Xilinx/ALTERA中低端產品的全覆蓋。

國產FPGA公司的產品及工藝一覽（注：上圖是根據筆者查閲相關資料整理 ，僅供參考，如有錯誤歡迎指正）

下面我們就將Xilinx和Lattice 的產品系列拆分開，更深入的瞭解哪些產品能實現覆蓋。

首先看28nm產品的覆蓋情況。據王海力的分析，在28nm產品線中，Xilinx有低端Spartan-7系列（6K-100K，共6款芯片），高性價比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），雖然同一系列裏面有一些die是相同的，但算下來也有20多顆獨立的FPGA芯片，加上派生出不同封裝，同時集成不同的接口（帶Serdes或不帶Serdes），其組合將達到上百款產品供客户選擇。

因此，在王海力看來，即使中國FPGA廠商全部並全面進入28nm產品研發和交付，也將花相當一段時間才能做到一定規模的替代。中高端主流FPGA產品的競爭仍需大量資金和人力的投入，任重道遠。

其次我們來看其不同系列所對應的國產FPGA情況，Spartan系列是Xilinx出貨量最大的產品系列，據瞭解，其Spartan 6系列預計還會供貨至2027年，Spartan 3/2/1代（沒有4/5代）也還有在銷售，但是量已非常少，大部分已停產。在性能上，Xilinx的Spartan 7性能稍強一點，國產同等資源FPGA產品可以差不多做到取代Spartan 6。

紫光同創的28nm產品的密度為100K，這可以覆蓋Artix-7大部分的產品，但只夠K7的入門級。

Xilinx的Zynq 7系列，可以理解為在A7基礎上加上ARM 硬核，A7內核+ARM Cortex A9單核(766MHz)或雙核(866MHz)，各有三個密度：23K/55K/65K, 以及28K/74K/85K。業內人士指出，目前國產FPGA尚無同類型產品面市，主要是因為ARM CPU軟核的外設IP及軟件的開發量巨大，設計難度也大。幾年內恐難有與Xilinx匹敵的產品和軟件平台面市。

而Virtex7及以上產品就更遙不可及了，Xilinx的Virtex7及以上FPGA的產品工藝先進，主頻非常高，內部資源豐富，是一個龐大的系統芯片，軟件開發也非常複雜，十年內國產無法替代。

Lattice曾經是CPLD的霸主，在低端FPGA領域也很有競爭力，據瞭解，10 K LUTs以下的FPGA市場基本上都是Lattice的天下，其中他們的XO/XO2/XO3三個系列更是這個市場當之無愧的霸主。在7K LUTs以下的低端FPGA和CPLD市場，可以説Lattice佔據了超過90%的市場。不過他們在高端FPGA方面進展並不順利。

具體來看，Lattice的中低端FPGA系列是ECP3/ECP5系列。ECP3主要是17K/35K/70K/95K/150K這5個密度，出貨量大的還是17K/35K這兩個級別。

Lattice的第一款28nm的產品密度在28K左右，主要是面向消費類和視頻類應用的市場。預估其後續推出的28nm產品也是在100K LUTs以內的。而且Lattice在過去幾年迎來了離職潮，大部分骨幹人才流向了紫光同創、高雲半導體和上海安路等。業內人士分析指出，從現有產品產品和技術來看，Lattice基本是國產FPGA可以較快全部覆蓋的。

業內資深人士還預測，國產FPGA新產品開發到2020年~2021年，將陸續進入28nm工藝，可取代A7大部分產品，少部分K7產品；2021年~2023年這個時間段將能夠完全覆蓋A7的產品，進入K7 350K LUTs左右的級別；而到2023~2025年將完全覆蓋K7，實現低端V7水平。

國產FPGA該如何發展？

根據製程技術，FPGA市場分為<28nm，28nm-90nm，> 90nm。由於不斷發展的產品開發和對該工藝技術的投資，預計在未來幾年中> 28 nm的份額將實現高速增長。半導體制造商更喜歡小尺寸的節點，基於28 nm工藝技術的低端FPGA提供了最低的系統成本和功耗，並具有足以在多種應用中替代高端FPGA的性能水平。

雖然28nm是FPGA的一大發展目標，但王海力認為，國內廠商也不應該一味地追求先進工藝下FPGA的佈局，應該深入與客户交流他們對未來FPGA技術指標的需求，在某些關鍵技術指標上與Xilinx相關產品形成差異化設計，比如在同等邏輯規模前提下，優化內核架構，提升接口速率，DDR性能，或集成一些專屬功能的IP、集成CPU/MCU內核等方面做文章。在封裝上，面向客户需求，開發出更具性價比的封裝形式。

為了能夠更好的追上國外的先進水平，減少國內企業的競爭，打破國內FPGA芯片、軟件系統平台的分散，更好的利用整體資源，王海力是這樣認為的，第一，國內FPGA企業避免同質化產品競爭；第二，國內FPGA產業鏈需進一步加大FPGA和EDA人才培養力度，支持國產FPGA大學計劃，鼓勵開展設立國產FPGA廠商與高校科研院所聯合實驗室，對於核心基礎技術進行前期研發。第三，在國家部委指導下，協調FPGA“產學研用” 資源，集中優勢力量，對FPGA技術中共性關鍵問題進行聯合攻關。

行業從業人員也告訴筆者，對國產FPGA而言，軟件是必須加強的一環。他指出，上文談到的國產FPGA與國外巨頭的替代，在不少產品上只體現了產品硬件指標方面的覆蓋。但在FPGA這個領域，你不但需要開發芯片，還需要為開發者開發軟件，且整個過程非常複雜啊。在軟件方面，包括開發軟件的穩定性，效能，易用性等方面還需要很長時間的積累和提高。而中高端產品的開發還需要很多成熟的驗證過的IP，這一直是國產FPGA的短板。另外，在SoC產品的開發方面，國產FPGA也相對比較落後。

“短時間來看，在產品方面，FPGA廠商需要儘快往高密度發展，但高密度需要大量資金以及客户試用、試錯；在市場方面，隨着國產化大的趨勢下，國內客户也廣開綠燈，這對國產廠商來説是一個很好的機遇，國內幾家廠商在消費類、LED、工控市場要儘快有出貨。”，知情人士強調。