半导体

连发三款新品,高云半导体为国产FPGA注入活力

作者:陈炳欣来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2017-11-01 我要评论

  现场可编程门阵列(FPGA)虽然是一个相对小众的集成电路品类,但是近段时间以来在中国媒介之中的曝光率却不低。肇因于莱迪思(Lattice)半导体收购案被美国政府叫停,人们对于FPGA的认识也逐渐增多。

  作为一种半定制化的集成电路,FPGA的优势之一是应用的灵活性和快速原型能力,用户可以以之测试一个想法或概念,并在硬件中完成验证,无需经过自定制ASIC设计的漫长过程。在碎片化的物联网时代,FPGA的这一特性具有极大的应用优势。FPGA的另一个重要优势是对并行计算的处理能力。在人工智能、机器学习、无人驾驶等成为新兴热门应用的情况下,那些原本跑在主处理器上,使用软件实现的功能,可以使用FPGA以硬件编程方式实现,而且更加节能。

  正是由于这些特点,FPGA受到各方越来越高的重视,市场前景被看好。有数据预测,到2022年亚太区域FPGA市场将突破40亿美元。在目前中国推进产业转型升级之际,对芯片安全、国产化有着迫切的需要,加上消费电子等领域潜在需求爆发,中国正在成为FPGA的重要市场,发展FPGA有着重要意义。

  日前,国内新创FPGA公司广东高云半导体科技股份有限公司(简称“高云半导体”)在“IC China2017”期间,连续发布三款产品,包括定位于低密度非易失性FPGA市场的GW1NS-2 SoC、定位于中高密度FPGA市场的GW3AT,以及采用开源架构RISC-V开发的平台化产品。在当前FPGA领域热点不断,业界持续关注FPGA国产化的情况下,高云半导体的这一举动令人瞩目。

  坚定正向设计之路

  经过多年发展,人们对于FPGA的技术开发难度有了充分认识。高云半导体CEO朱璟辉将之归纳为:工艺制程新、设计门槛高、资金投入大、技术人才缺等四大挑战。“企业如想投入FPGA的开发,势必会面临持续的资金投入、巨大的设计难度和残酷的市场竞争等难题。”朱璟辉说。

  这也是目前国际FPGA市场长期维持赛灵思、英特尔(收购Altera)、美高森美、Lattice两大两小格局的主要原因之一。近些年来,国内虽然有一些FPGA厂商存在。从公开数据来看,国产FPGA市场自给率仍然很低,小于1%。技术上中国公司的差距也很大,国际公司已覆盖65/55/40/28/20/16纳米制程,从1K到KK LUTs形成系列产品,国产FPGA只有65/55/40纳米、1L-55K LUTs的产品。

  但是,在接受记者采访时,朱璟辉又指出,当前正是中国发展自主FPGA产业的重要窗口期。首先,中国拥有广大的FPGA而市场,5G通信、人工智能、机器视觉、智能制造等均是下一阶段FPGA主要的新兴领域。其次,随着国际巨头竞争的激烈,产业调整,导致优秀人才溢出,为国内FPGA厂商获得高端人才创造了条件。最后,国际专利时效的到期(特别是基础专利),也为国内厂商进行技术性规避创造了条件。

  因此,对于中国企业来说,现阶段的关键就是克服技术上的挑战,利用自身贴近市场的优势,逐步切入市场。而在谈到技术开发时,朱璟辉指出,许多本土公司都面临着采取反向设计还是正向设计的选择难题。正向设计难度大,还需要持续的资金投入、巨大的设计难度和残酷的市场竞争。选择反向可以省事,但是弊端也很多,无法掌握核心技术。要想产业化,就会遇到法律问题。

  而高云一直坚定地走正向设计之路。“这是一条荆棘丛生但前途光明的路。”朱璟辉说。高云半导体自2014年1月成立以来,坚持正向设计,历经三年发展,在100%流片成功率的情况下,先后推出晨熙、小蜜蜂两个家族、4个系列FPGA产品,涵盖了11个型号、50多种封装的芯片、自主知识产权EDA开发软件并持续改进。目前高云半导体FPGA产品已经渗透到十余个典型行业中,客户发展达到200多家,其中有20多家客户已经开始批量采购,超过40个项目正在进行,市场拓展呈现快速增长趋势,预计春节前累计销量将突破200万片,真正实现了国产FPGA的产业化发展。

  抓住SoC FPGA在嵌入式市场的机会

  传统上,FPGA的应用很大程度上受到通信市场主导,但随着工业智能化、汽车电子化以及物联网的发展,对具备灵活可编程特性的FPGA需求大增。受此影响,赛灵思与Altera这些年已不再单纯比拼工艺节点,而是更加倾向于朝系统级解决方案供应商转变,Lattice也放弃了对前两大的苦苦追赶,转而经营消费类市场。这些转变表明,FPGA的竞争格局正在改变,也为中国发展FPGA产业提供了机会。

  在朱璟辉看来,高云半导体抓住的一个机会是SoC化FPGA在嵌入式市场的发展。一般而言,嵌入式系统架构主要分为三类:通用MCU、FPGA和系统芯片(SoC)。系统芯片对特定应用进行专门优化,成本低、性能高、开发快,但只适用于量大、功能相对固定的应用;通用MCU适应性更广,成本比系统芯片要高,是如今嵌入式终端市场的主流平台;FPGA以往只在少量多样的终端市场采用。不过,近年来不少FPGA厂商开始在嵌入式应用上重点投入, 推出低成本FPGA方案,力争在嵌入式市场获得更大份额。

  “目前,ARM架构的MCU市场发展迅速,FPGA+ARM内核的架构将有助于提高FPGA的竞争力,进一步扩展应用市场的范围。”朱璟辉说。针对此趋势,高云发布了公司首款SoC FPGA——GW1NS。从性能上看,它延续小蜜蜂家族的所有优势,通过集成FPGA+M3+MIPI+USB+ADC,具有更高的集成度,更低功耗和成本。市场定位主要面向通用MCU市场,典型应用包括伺服电机控制器;Type-C CD/PD解决方案和各种显示控制器、人机界面等。

  GW1NS另一大优势是对非易失性Flash的集成。相比其他技术,集成非易失性Flash给GW1NS带来更大的成本优势。“非易失性产品可以提供单独芯片解决方案。易失性产品需要外加一个非易失存储器来存放数据流文件。所以会用两个芯片并且在用户系统板上占用面积。GW1NS则避免了这些问题。”朱璟辉说。

  为了强化在SoC FPGA领域的竞争优势,高云半导体推出RISC-V平台化产品,包括集成RISC-V软核的FPGA、参考设计、开发平台和开发套件。“RISC-V最大优势是免费开源架构,具有很好的扩展性,ISA更简单验证方便。集成RISC-V内核的FPGA将具有更好的开放性、可移植性和设计灵活性。”朱璟辉表示。

  向中高密度市场进军

  如果说GW1NS 是面向中低端FPGA市场,高云发布的另一款GW3AT-100就定位于中高端市场了。它由台积电代工,是国内首款采用28纳米工艺生产的FPGA。资料显示,GW3AT-100逻辑单元 (LUT4) 101,376,支持PCIe 2.0/5Gbps、XAUI/3.125Gbps、RXAUI/6.25Gbps、CEI CEI-6G/6.25Gbps等多协议。在高云半导体的产品规划中,GW3AT-100将直接对标赛灵思K7系列,切入通信及计算市场,典型应用包括无线微小基站、机器视觉、智能工业、并行运算/深度学习等。

  FPGA的应用市场包括通信、工业军事航空、消费、数据中心、汽车和医疗。消费市场的需求量虽然很大,但是竞争相对充分。GW1NS的定位是取代部分高端MCU。对此,朱璟辉也承认,这个市场竞争充分,价格上的比拼也更加激烈。因此向拥有更高毛利的中高端市场发展是高云的另一个重要方向。这是高云半导体重要打造GW3AT-100的主要原因。

  朱璟辉还透露,下一步高云半导体将跳过16纳米节点,开展10纳米产品的开发。这款型号为GW4ST-400的FPGA产品,记者虽然没有获得进一步的资料,但从高云的产品路线图中可以看出,其将定位于高密度、高性能和高附加值市场。

  打造良好开发环境是最大挑战

  中国FPGA市场约占据全球FPGA份额的30%,并且保持强劲的增长势头,但国产FPGA产品仅占中国FPGA市场不足1%的份额。起步晚、技术落后、缺乏工具等配套环境,是国产FPGA发展最大的短板。同时,这些也是高云半导体面临的挑战。所以在开发硬件产品之余,高云半导体也不得不投入极大精力在工具软件和配套开发环境之上。高云半导体开发并推出了具有自主知识产权的EDA软件云源软件。

  “目前,云源软件已更新至1.7.9版本,内嵌经Synopsys正规授权的Synplify Pro,支持Verilog、VHDL等语言的混合编程,内嵌丰富的设计辅助工具与硬件调试工具,可以完成FPGA开发过程中综合、布局、布线及产生比特流等一站式工作,帮助用户生成高质量的编译结果,满足高、中、低密度FPGA的开发需要。” 朱璟辉说。尽管如此,在谈到产品易用性的时候,朱璟辉也承认,工具软件的开发需要长期的积累,只有在大量用户反馈信息的基础上,才能不断完善。

  同时,为加速用户产品研发,方便用户创新设计,高云半导体还推出了自主产权软核集,囊括了多种总线接口IP、高速DDR接口IP、MIPI接口IP、LVDS LCD控制器、嵌入式内存控制器等IP软核,以丰富自家产品的生态环境。

  目前FPGA的应用领域越来越广,基本上每个行业都能见到它的应用,FPGA的集成度也越来越高,软硬融合。在解决有无,满足了客户应用需求之后,国内厂商需要考虑的就是如何降低成本、实现差异化应用和产品的好用易等问题。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:陈炳欣

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