3月1日訊息相比幾十億出貨量、市場規模千億美元的 CPU 和 GPU，市場規模還未超百億美元的 FPGA 並非大眾關注的焦點。

不過，在提升國產晶片自主化率的大背景下，與 CPU、GPU、DSP 共稱為國產晶片 “四大件”的 FPGA 對於真正實現晶片國產自主有著基礎性作用，已經有中國 FPGA 公司在設計環節打破了對國外公司的依賴，直接參與 FPGA 的全球競爭。

FPGA 的獨特性，讓國產 FPGA 已經在中低端市場可以不被 EDA 卡脖子。未來五年，國產 FPGA 在高階市場有望深度突破。當然，軟硬體技術挑戰以及全球 FPGA 市場格局的變化都是國產 FPGA 實現高階和極高端市場突破的挑戰。

FPGA 更容易實現國產替代

CPU、GPU、DSP、FPGA 這四大類計算晶片中，FPGA 更容易實現完全自主可控。這是因為，CPU、GPU、DSP 可以歸類為 ASIC 晶片（專用積體電路），全球範圍內想要設計這三類晶片的公司難以擺脫 EDA（電子設計自動化工具）三巨頭和美英 IP 公司的依賴。

與此不同，FPGA 設計流程中用到 EDA 和 IP 需要晶片廠商向客戶提供，以適應客戶的要求。全球幾家市佔率較高的幾家 FPGA 公司都是向客戶提供自家的 EDA 工具。這就意味著，FPGA 的設計更容易擺脫國外 EDA 和 IP 公司的限制。

高雲半導體總裁宋寧表示：“目前，高雲是在國產化程序中有實力提供自主研發的獨立完備 FPGA 應用設計體系（IC、IP、EDA 融匯結合）的公司，打破並打通了 FPGA 設計中的關鍵依賴環節，直接參與 FPGA 領域的全球競爭 。”

宋寧曾在萊迪斯、Cadence 任職，有多年 FPGA 領域的豐富經驗，他進一步表示：“國產化替代實現了 FPGA 應用領域設計流程中 EDA 和 IP 環節的全面自主技術產權化，等於建立起一套完整的國產自主的小型化積體電路晶片工業設計體系，為最終全面實現國產積體電路晶片工業（ASIC 類的 CPU，GPU，DSP 等）的自主技術產權化奠定基礎。這就是 FPGA 實現國產自主更為明顯的價值體現。”

目前，國產 FPGA 晶片已經廣泛應用於消費電子領域，但主打中低端產品。FPGA 晶片的重要效能指標之一是查詢表（Look-Up-Table，LUT），LUT 數量的多少與 FPGA 的效能呈正相關關係。

國產 FPGA 起步於消費電子市場，主打的是低端 (<10K-LUT 級別)和中端 (>100K-LUT 級別) 的 FPGA 晶片，如今正快速涉及通訊、汽車市場，主打產品將會從中端 (<100K-LUT 級別) 推向高階 (從 100 至 500K-LUT 級別) 的 FPGA 晶片。

邁向高階的過程對國內 FPGA 公司而言並非易事。

國產 FPGA 邁向高階的三大挑戰

全球 FPGA 市場最近幾年發生了重要的變化。自 1984 年賽靈思（Xilinx）發明 FPGA 以來，經過多年的整合兼併，FPGA 市場呈現了賽靈思和 Altera 平分秋色，Lattice 和 Actel（2010 年被 MicroSemi 收購）暗中搶佔市場份額的格局。

2015 年，intel 以 167 億美元收購 Altera 打破了原有的 FPGA 市場格局。

有意思的是，去年 10 月，intel 的競爭對手 AMD 也宣佈將以 350 億美元收購賽靈思，預計交易將於 2021 年底完成。兩大 FPGA 晶片公司相繼被收購是 AI、5G 和雲端計算的技術發展趨勢下的行業整合，巨頭間的整合也改變著全球 FPGA 市場的格局。

“intel 和 AMD 都是超級 CPU 公司，分別收購兩大 FPGA 公司的目的在於結合 CPU 的超強算力和 FPGA 超大規模 I/O 介面與平行計算能力打造下一代 AI 技術晶片。這必然會讓原來市佔率最高的兩大 FPGA 公司不得不轉向專注結合高階 CPU 和 AI 的專業市場。”宋寧表示。

“就拓展市場佔有率而言，兩筆收購對奪通用 FPGA 市場的國產 FPGA 廠家，包括中國公司，長遠來說應該是利好，因為兩大巨頭公司對通用 FPGA 市場的關注度會減弱。”

長遠利好的競爭格局下，國產 FPGA 向高階市場邁進的軟硬體挑戰依然巨大。高階 (從 100 至 500K-LUT 級別) 和極高端（500K，乃至 1M 或 nM-LUT 以上）FPGA 晶片，先進工藝非常重要。

賽靈思在 28nm 工藝節點的代工廠從聯華電子轉向臺積電後，開始領先於 Altera。到了 20nm，賽靈思進一步拉大與 Altera 的差距。之後，Altera 被 intel 收購後轉向 intel 的 14nm 工藝，一定程度影響了其產品進展，而賽靈思則借臺積電的 16nm 工藝進一步擴大優勢。

2019 年時，兩大巨頭公司相繼釋出了全球 “最大”FPGA。賽靈思在 8 月釋出的全球最大容量的 FPGA 基於臺積電的 16nm 工藝，整合 350 億個電晶體、900 萬個系統邏輯單元。三個月後，英特爾宣佈推出全球容量最大的 FPGA，採用 14nm 工藝製造，集成了 443 億個電晶體，在 70×74 毫米的封裝面積內擁有 1020 萬個邏輯單元。

國產 FPGA 想要在高階和極高端市場成功突破，自然也需要先進工藝製程的支撐，但國內晶圓代工廠與臺積電、三星這樣全球領先的晶圓代工廠仍有明顯的差距，這給國產高階 FPGA 實現完全自主可控帶來了挑戰。

除了製造方面的挑戰，宋寧還指出，與高階、極高端 FPGA 晶片相適應的 FPGA EDA 工具，包括傳統的前端 RTL-VHDL/Verilog 綜合工具，以及後端佈局佈線（Place&Rout）工具的自主研發與自主產權同樣是國產高階 FPGA 實現突圍的挑戰。

在製程和 EDA 工具提升的過程中，還會涉及到專利保護的問題。

”國產 FPGA 替代應立足全面主導消費電子市場的目標，以及深度切入通訊和汽車市場競爭的方向，這三大 FPGA 傳統應用領域，仍將是 FPGA 替代機會最大的市場。”宋寧認為。

正在快速發展的 5G 和 AI 也是不容忽視的好機遇。

國產 FPGA 在 5G 和 AI 時代的大機會

根據 Market Research Future（MRFR）的統計，2019 年全球 FPGA 市場規模約為 69 億美元。MRFR 預計，在 5G 和 AI 的推動下，2025 年全球 FPGA 市場規模有望達到 125 億美元，年複合增長率為 10.22%，其中亞太地區是重要的增量市場。

通訊作為 FPGA 的重要應用市場，5G 基站以及終端都對 FPGA 有巨大的需求。目前國產 FPGA 在 5G 領域最大的機會在使用者端消費電子領域，尤其在各式各樣的音、視訊轉換介面，以及各式各樣的通訊協議轉換介面領域。究其原因還是 FPGA 晶片可程式設計，多 I/O 的特點非常適合各類轉換介面的設計。

至於 AI，FPGA 的機會在於與超強算力的 CPU 結合，在雲端結合大資料進行分析和預測應用，例如人臉識別，聲紋識別，身份識別，行為識別等等。“中國擁有全球最大的超級資料庫以及與之相關聯的大資料類分析、預測的應用場景，所以，國產 FPGA 在 AI 領域機會巨大。”宋寧表示。

作為國產 FPGA 的代表之一，高雲會如何抓住 5G 和 AI 的機會突破高階市場？

據介紹，高雲半導體從一開始就致力建立獨立完備 FPGA 應用設計體系的高度，打造自行開發的 FPGA 應用設計 EDA 工具，以及成體系的 FPGA 應用軟核 IP 庫，在市場需求的變化下，打造具備多樣內嵌功能塊硬核的低功耗，小型薄片化 FPGA IC 產品。同時，推進高階產品的研發。

宋寧說：“高雲在 5G 市場進行了六個方面的產品優化和佈局，包括核心電壓低至 0.95V 的低功耗化，間距只有 0.4mm 的封裝小型化，將 FPGA 核心與多種儲存體核心組合的多樣化，將特定功能硬核介面內建 FPGA 的整合化，將 MCU 硬核內建 FPGA 的智慧化，以及面向各種應用配備各類軟核 IP 的靈活化。”

“FPGA 型別眾多，功能齊全是高雲產品的優勢特點。這也是我們多年在產品規劃、佈局的結果。”宋寧表示。

面向 AI 市場，高雲在 2020 年推出了適用於 AI 邊緣計算的產品，利用高雲的 FPGA SoC 內嵌 MCU，提供快速反應、高效處理定製化資料，價效比高的 FPGA，與巨頭的超強 CPU 與 FPGA 結合的策略形成差異。

在這個過程中，國產 FPGA 也可以從低端的消費類音訊 FPGA 市場，拓展到中低端工業控制、監控 FPGA 市場，最終邁向中高階的通訊、汽車 FPGA 市場。

小結

多個市場研究機構預測，2021 年到 2026 年中國 FPGA 市場規模有望佔到全球 FPGA 市場規模的一半以上，中國將成為 FPGA 公司的必爭之地。不過，國外公司仍舊主導這一市場的競爭，在國產替代的背景下，包括高雲在內的國內 FPGA 公司第一生存級別的競爭對手仍舊是國外公司。

國產 FPGA 的高階替代機遇與挑戰共存。宋寧預計，未來五年，國產 FPGA 有望在低端和中端市場市場上佔主動地位，在高階市場有望深度突破，極高端市場仍任重道遠。

2018 年，FPGA 國產化率僅 4%，5 年後 FPGA 的國產化率值得期待。