近日紫光同創(chuàng)率先打響了國產(chǎn)28nm FPGA的第一槍，這是一個好的開始，也是一個較正面的信號。為什么是28nm呢？從90nm、65nm、40nm、再到28nm，F(xiàn)PGA可謂摩爾定律最堅(jiān)定不移的“執(zhí)行者”。FPGA進(jìn)入28nm制程之后，不僅功能與整合度能超越傳統(tǒng)FPGA，最重要的是，產(chǎn)品性價比也進(jìn)一步逼近ASSP與ASIC。FPGA突破了以往功耗過高的問題，逐漸發(fā)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(dāng)“配角”的FPGA登上舞臺中央，越來越多的開發(fā)者對FPGA的青睞度驟升。

那么28nm對國產(chǎn)FPGA究竟意味著什么？我們能替代Xilinx的哪些級別的產(chǎn)品？何時能真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)FPGA替代？今天我們就來聊聊這些大家關(guān)注的問題。

撬開28nm FPGA的大門

談到28nm，不得不從國外的兩大FPGA巨頭開始說起。其實(shí)早在2010年開始，國外的Altera和Xilinx就開始了28nm之戰(zhàn)。2011年，這兩大巨頭，同時發(fā)布了采用最新一代28nm工藝的FPGA工程樣片。自此，F(xiàn)PGA正式進(jìn)入28nm時代。截止到目前為止，Xilinx的28nm產(chǎn)品仍然被全球很多客戶使用。據(jù)推斷，28nm FPGA產(chǎn)品至少有7-8年以上的生命周期。

而另一家FPGA巨頭Lattice公司直到2019年12月推出了業(yè)界首款28nm基于FD-SOI的FPGA平臺—Nexus平臺，Nexus平臺提供的第一個產(chǎn)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也于2019年推出了28nm的全FLASH工藝FPGA，密度覆蓋10K-500K LUTs左右產(chǎn)品，屬于中高端產(chǎn)品。不過其產(chǎn)品相對較貴，新產(chǎn)品的推廣在當(dāng)前國產(chǎn)化大潮下可能不易。

國內(nèi)方面大部分企業(yè)已開始了28nm的研發(fā)。紫光同創(chuàng)是國內(nèi)第一家推出28nm FPGA芯片的廠商，其Logos-2系列產(chǎn)品PG2L100H產(chǎn)品密度為100K，采用28nm CMOS工藝制程，相對于40nm工藝Logos-1系列FPGA性能提升50%，總功耗降低40%。這對國產(chǎn)FPGA來說是一個好的信號，但有專業(yè)人士分析到，這只是FPGA高端產(chǎn)品“萬里長征”中的一小步，硬件本身的性能有待驗(yàn)證，軟件和IP還有很長的路要走。打個比方說，這個28nm 100K的產(chǎn)品就像制造出了一張硬弓，至于能不打開這張弓，能不能射，射不射得準(zhǔn)還要看這個軟件行不行。

除了紫光同創(chuàng)，安路和高云的28nm FPGA也都在研發(fā)中，預(yù)計2020年均會發(fā)布樣品，密度也是100K左右。而京微齊力預(yù)計將在明年推出22nm的系列化產(chǎn)品。業(yè)內(nèi)人士告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者，國內(nèi)300K左右的產(chǎn)品預(yù)計都要在2021年-2022年發(fā)布。

關(guān)于28nm的發(fā)展情況，京微齊力CEO王海力表示：“按照28nm系列化FPGA產(chǎn)品上市的時間來看，國內(nèi)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(fā)布全新的28nm產(chǎn)品。因此28nm工藝對于FPGA廠商而言，還是一個有“價值空間”的工藝布局?！?/p>

隨著國內(nèi)FPGA廠商全面進(jìn)入28nm千萬門級產(chǎn)品的研發(fā)，意味著中國FPGA廠商已經(jīng)開始真正進(jìn)入與美國Xilinx和Intel的直面競爭階段。那么我們離實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代究竟有多遠(yuǎn)？

就目前而言，要真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代仍任重道遠(yuǎn)。業(yè)內(nèi)專業(yè)人士指出，所有的國產(chǎn)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(shè)定，一般其它資源相當(dāng)或略多一些。接下來我們就從正向設(shè)計和反向設(shè)計兩大方面來分析國產(chǎn)FPGA替代的程度和時間節(jié)點(diǎn)的大致情況。

反向設(shè)計進(jìn)展：可穩(wěn)定量產(chǎn)Xilinx15-20年前的產(chǎn)品

首先來看反向設(shè)計，這是國產(chǎn)FPGA最早涉及的領(lǐng)域。反向設(shè)計是通過對芯片內(nèi)部電路的提取與分析、整理，實(shí)現(xiàn)對芯片技術(shù)原理、設(shè)計思路、工藝制造、結(jié)構(gòu)機(jī)制等方面的深入洞悉，可用來驗(yàn)證設(shè)計框架或者分析信息流在技術(shù)上的問題，也可以助力新的芯片設(shè)計或者產(chǎn)品設(shè)計方案。

反向設(shè)計的FPGA主要是為軍方或航天服務(wù)，國內(nèi)有幾家反向據(jù)稱可以做到V6系列的一部分，去年也有廠商宣布推出了K7-325T的反向芯片樣品。

國內(nèi)還有幾家做民用反向的，據(jù)業(yè)內(nèi)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(chǎn)品，還有民用市場中小容量的ALTERA/Lattice的產(chǎn)品，240/570個LUT容量的CPLD，以及6K/10K LUTs級別的低端FPGA。據(jù)說目前也有推出16K/20K LUTs級別的反向芯片。但據(jù)聞有些做反向的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)組建了FPGA芯片正向研發(fā)生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，慢慢開始正向設(shè)計。

總體來看，目前反向設(shè)計已經(jīng)可以穩(wěn)定量產(chǎn)V2/V4級別 ，這相當(dāng)于Xilinx 15-20年前的產(chǎn)品。低端FPGA的反向設(shè)計主要集中在LED市場和小部分工控市場。

但反向設(shè)計的弊端也比較明顯的。除了知識產(chǎn)權(quán)的問題以外，隨著工藝越來越先進(jìn)，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(shè)計的軟件相對粗暴，它直接用國外品牌的開發(fā)軟件，在調(diào)試過程中用到的仿真，時序分析，時序約束，在線調(diào)試等工具都需用國外品牌的軟件。國產(chǎn)的軟件只提供最后的比特流轉(zhuǎn)換，少部分會用國外品牌軟件生成的網(wǎng)表文件重新布局布線。

反向設(shè)計的FPGA也因性能和穩(wěn)定性的問題，在市場上有不少詬病，導(dǎo)致了很多企業(yè)對國產(chǎn)芯片的再度不信任。所以FPGA正向設(shè)計越來越受到重視。

正向設(shè)計可圈可點(diǎn)：可全面替代Lattice以及部分Xilinx的產(chǎn)品

在正向設(shè)計領(lǐng)域，代表企業(yè)主要有紫光同創(chuàng)、京微齊力、高云半導(dǎo)體、上海安路。從最早開始做正向設(shè)計的京微雅格開始算起（后重組為現(xiàn)在的京微齊力），經(jīng)過近10年的努力，國產(chǎn)FPGA廠商在低端FPGA產(chǎn)品，包括軟件和生態(tài)上，國產(chǎn)FPGA廠商都進(jìn)展不錯。我們可以看到在LED顯示、消費(fèi)類等應(yīng)用上國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品都進(jìn)行了規(guī)模應(yīng)用。

據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者，當(dāng)前國產(chǎn)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(chǎn)品，而密度在50K以上的較高端產(chǎn)品量產(chǎn)時間均較長，主要是因?yàn)檐浻布f(xié)同和硬件效能充分發(fā)揮需要非常時間和項(xiàng)目積累。目前國產(chǎn)幾家FPGA廠商在研的產(chǎn)品都是28nm級別產(chǎn)品，有望在2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)對Lattice產(chǎn)品替換的全覆蓋，以及Xilinx/ALTERA中低端產(chǎn)品的全覆蓋。

下面我們就將Xilinx和Lattice 的產(chǎn)品系列拆分開，更深入的了解哪些產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)覆蓋。

首先看28nm產(chǎn)品的覆蓋情況。據(jù)王海力的分析，在28nm產(chǎn)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），雖然同一系列里面有一些die是相同的，但算下來也有20多顆獨(dú)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(dá)到上百款產(chǎn)品供客戶選擇。

因此，在王海力看來，即使中國FPGA廠商全部并全面進(jìn)入28nm產(chǎn)品研發(fā)和交付，也將花相當(dāng)一段時間才能做到一定規(guī)模的替代。中高端主流FPGA產(chǎn)品的競爭仍需大量資金和人力的投入，任重道遠(yuǎn)。

其次我們來看其不同系列所對應(yīng)的國產(chǎn)FPGA情況，Spartan系列是Xilinx出貨量最大的產(chǎn)品系列，據(jù)了解，其Spartan 6系列預(yù)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(chǎn)。在性能上，Xilinx的Spartan 7性能稍強(qiáng)一點(diǎn)，國產(chǎn)同等資源FPGA產(chǎn)品可以差不多做到取代Spartan 6。

紫光同創(chuàng)的28nm產(chǎn)品的密度為100K，這可以覆蓋Artix-7大部分的產(chǎn)品，但只夠K7的入門級。

Xilinx的Zynq 7系列，可以理解為在A7基礎(chǔ)上加上ARM 硬核，A7內(nèi)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(yè)內(nèi)人士指出，目前國產(chǎn)FPGA尚無同類型產(chǎn)品面市，主要是因?yàn)锳RM CPU軟核的外設(shè)IP及軟件的開發(fā)量巨大，設(shè)計難度也大。幾年內(nèi)恐難有與Xilinx匹敵的產(chǎn)品和軟件平臺面市。

而Virtex7及以上產(chǎn)品就更遙不可及了，Xilinx的Virtex7及以上FPGA的產(chǎn)品工藝先進(jìn)，主頻非常高，內(nèi)部資源豐富，是一個龐大的系統(tǒng)芯片，軟件開發(fā)也非常復(fù)雜，十年內(nèi)國產(chǎn)無法替代。

Lattice曾經(jīng)是CPLD的霸主，在低端FPGA領(lǐng)域也很有競爭力，據(jù)了解，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(dāng)之無愧的霸主。在7K LUTs以下的低端FPGA和CPLD市場，可以說Lattice占據(jù)了超過90%的市場。不過他們在高端FPGA方面進(jìn)展并不順利。

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(chǎn)品密度在28K左右，主要是面向消費(fèi)類和視頻類應(yīng)用的市場。預(yù)估其后續(xù)推出的28nm產(chǎn)品也是在100K LUTs以內(nèi)的。而且Lattice在過去幾年迎來了離職潮，大部分骨干人才流向了紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體和上海安路等。業(yè)內(nèi)人士分析指出，從現(xiàn)有產(chǎn)品產(chǎn)品和技術(shù)來看，Lattice基本是國產(chǎn)FPGA可以較快全部覆蓋的。

業(yè)內(nèi)資深人士還預(yù)測，國產(chǎn)FPGA新產(chǎn)品開發(fā)到2020年~2021年，將陸續(xù)進(jìn)入28nm工藝，可取代A7大部分產(chǎn)品，少部分K7產(chǎn)品；2021年~2023年這個時間段將能夠完全覆蓋A7的產(chǎn)品，進(jìn)入K7 350K LUTs左右的級別；而到2023~2025年將完全覆蓋K7，實(shí)現(xiàn)低端V7水平。

國產(chǎn)FPGA該如何發(fā)展？

根據(jù)制程技術(shù)，F(xiàn)PGA市場分為<28nm，28nm-90nm，> 90nm。由于不斷發(fā)展的產(chǎn)品開發(fā)和對該工藝技術(shù)的投資，預(yù)計在未來幾年中>28 nm的份額將實(shí)現(xiàn)高速增長。半導(dǎo)體制造商更喜歡小尺寸的節(jié)點(diǎn)，基于28 nm工藝技術(shù)的低端FPGA提供了最低的系統(tǒng)成本和功耗，并具有足以在多種應(yīng)用中替代高端FPGA的性能水平。

雖然28nm是FPGA的一大發(fā)展目標(biāo)，但王海力認(rèn)為，國內(nèi)廠商也不應(yīng)該一味地追求先進(jìn)工藝下FPGA的布局，應(yīng)該深入與客戶交流他們對未來FPGA技術(shù)指標(biāo)的需求，在某些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上與Xilinx相關(guān)產(chǎn)品形成差異化設(shè)計，比如在同等邏輯規(guī)模前提下，優(yōu)化內(nèi)核架構(gòu)，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(nèi)核等方面做文章。在封裝上，面向客戶需求，開發(fā)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(jìn)水平，減少國內(nèi)企業(yè)的競爭，打破國內(nèi)FPGA芯片、軟件系統(tǒng)平臺的分散，更好的利用整體資源，王海力是這樣認(rèn)為的，第一，國內(nèi)FPGA企業(yè)避免同質(zhì)化產(chǎn)品競爭；第二，國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈需進(jìn)一步加大FPGA和EDA人才培養(yǎng)力度，支持國產(chǎn)FPGA大學(xué)計劃，鼓勵開展設(shè)立國產(chǎn)FPGA廠商與高?？蒲性核?lián)合實(shí)驗(yàn)室，對于核心基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行前期研發(fā)。第三，在國家部委指導(dǎo)下，協(xié)調(diào)FPGA“產(chǎn)學(xué)研用” 資源，集中優(yōu)勢力量，對FPGA技術(shù)中共性關(guān)鍵問題進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。

行業(yè)從業(yè)人員也告訴筆者，對國產(chǎn)FPGA而言，軟件是必須加強(qiáng)的一環(huán)。他指出，上文談到的國產(chǎn)FPGA與國外巨頭的替代，在不少產(chǎn)品上只體現(xiàn)了產(chǎn)品硬件指標(biāo)方面的覆蓋。但在FPGA這個領(lǐng)域，你不但需要開發(fā)芯片，還需要為開發(fā)者開發(fā)軟件，且整個過程非常復(fù)雜啊。在軟件方面，包括開發(fā)軟件的穩(wěn)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(chǎn)品的開發(fā)還需要很多成熟的驗(yàn)證過的IP，這一直是國產(chǎn)FPGA的短板。另外，在SoC產(chǎn)品的開發(fā)方面，國產(chǎn)FPGA也相對比較落后。

“短時間來看，在產(chǎn)品方面，F(xiàn)PGA廠商需要盡快往高密度發(fā)展，但高密度需要大量資金以及客戶試用、試錯；在市場方面，隨著國產(chǎn)化大的趨勢下，國內(nèi)客戶也廣開綠燈，這對國產(chǎn)廠商來說是一個很好的機(jī)遇，國內(nèi)幾家廠商在消費(fèi)類、LED、工控市場要盡快有出貨?！?，知情人士強(qiáng)調(diào)。
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