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FPGA市场再起波澜

半导体行业在标准化与定制化之间的周期性“摆动”是FPGA出现的潜在底层动力的表现。
2021-11-23 09:44 · 微信公众号:半导体行业观察  L晨光   
   

半导体行业在标准化与定制化之间的周期性“摆动”是FPGA出现的潜在底层动力的表现。

百花齐放的芯片浪潮中,FPGA夺得一席之地。新市场涌现、新玩家入局,给这个并购与研发并举的高壁垒市场,增添了些许波澜。

FPGA芯片是基于可编程器件(PAL、GAL、CPLD)发展而来,是半定制化、可编程的集成电路。FPGA的特殊之处在于,其对底层算法架构的依赖度低,对EDA软件依赖度高,需要EDA软件去辅助完成设计。FPGA芯片出厂时没有特定的功能,通过FPGA专用EDA软件现场对硬件进行编程可以实现具体用户需要的功能。

受益于与众不同的架构,FPGA的可编程属性使其相比其他处理器,在算力、成本、功耗之间更能取得平衡。相对于ASIC芯片,FPGA更具灵活性,大大缩减了专用芯片束缚的限制;相对传统可编程器件可添加更大规模电路数量以实现多元功能。与CPU、GPU这类处理器相比,FPGA在功耗和计算速度方面具备优势。

FPGA普遍被认为是构建原型和开发设计的最快推进路径之一,具有编程、除错、再编程和重复操作等优点,作为定制化ASIC领域的半定制电路而出现。在采用FPGA进行设计时,设备制造商可以在开发现场自由改写电路结构,而无需向半导体厂商支付包括掩膜在内的开发费用,同时在完成电路结构设计之后也无需执行布局、布线等工作,显著缩短IC开发周期。

随着5G、AI等技术的提升,全球FPGA市场规模稳步增长,2020年全球FPGA销售额已超过60亿美元,Frost&Sullivan预计,全球FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元,年均复合增长率约为16.4%。

2016-2025年全球FPGA市场规模

溯源FPGA

FPGA起源于Xilinx(赛灵思)公司,赛灵思于1985年推出世界首块商业化FPGA芯片“XC2000”,通过自创的门阵列通用结构推动芯片从定制化向标准化迈进。

FPGA芯片由逻辑功能块排成阵列矩阵,并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计,是在前期PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,既解决了传统可编程器件门阵列数有限的缺点,具备更大的规模容量进而提高性能;同时现场可编程的特点帮助其克服了ASIC芯片灵活性不足的缺陷。

从上世纪80年代,FPGA在具有TTL的胶合逻辑中找到了自己的利基市场,再到十年后,FPGA愈发复杂,引入了大型SRAM模块、嵌入式DSP模块中的乘法器-累加器、嵌入式处理器软核、I/O和SerDes接口。

再到后来,以赛灵思为代表的FPGA企业通过自适应加速平台等异构计算平台及产品,让FPGA更加灵活地根据不同工作负载进行自适应加速。赛灵思的Versal系列号称业界首款ACAP,即自适应计算加速平台,集成了CPU、GPU、FPGA、Programmable NoC、DMA、PCIe5和100G以太网等功能,可实现特定域的自适应架构,为整个应用加速,进一步提升了FPGA在加速器市场的穿透力。

发展至今,FPGA与ASIC技术融合、向系统级发展成为新的趋势,软硬件相结合,兼具性能和灵活性,诞生SoC FPGA和eFPGA两种路径。与独立FPGA器件相比,eFPGA是一种相对较新的技术,其可被集成到ASIC,或提供FPGA晶粒进行多芯片封装(MCM)而集成到其中。eFPGA的典型应用包括汽车驾驶员辅助系统、计算性存储加速器、人工智能/机器学习和5G基础设施等。这些应用都使用了集成了eFPGA IP的定制ASIC器件,以提供工作负载和算法灵活性。

前景大好的形势下,许多企业开始垂涎FPGA领域,市场出现诸多相关企业的并购案例,不止同行的大吃小,还有类似英特尔收购Altera、AMD收购赛灵思等跨领域的巨头兼并之举。这些公司的收购重组实现了产品细节的优势互补,致力于为客户提供更专业丰富服务、打造可编程逻辑生态平台提供捷径。

作为CPU领域的前二厂商,英特尔与AMD这对“老对手”在处理器和超算领域的竞争有来有回,在拓展FPGA业务方面却显得相当默契,先后将FPGA第一、第二的厂商纳入麾下。在云计算和AI导致的算力需求爆发和混合计算架构迅速发展的情况下,CPU厂商收购FPGA厂商可直接补强其FPGA支撑的并行和可编程计算技术,使他们在新兴异构计算架构时代保持领先。

以英特尔为例,在收购了Altera之后,英特尔成立了新的业务部门——可编程解决方案事业部(PSG)。除了加强现有的 FPGA 业务,可编程解决方案事业部还将与英特尔数据中心事业部和物联网事业部密切合作,推出下一代高度自定义集成产品和解决方案。

外部并购与内部研发的双核驱动下,技术实力正在铸就FPGA行业的高技术壁垒,催生新的行业应用与市场空间。

FPGA立足市场

诞生于1985年的FPGA虽然问世时间不长,但已经凭借“可编程”的独特优势,在百花齐放的芯片浪潮中夺得一席之地,成为CPU、GPU、ASIC等之外的又一劲旅。

FPGA的灵活性使芯片设计人员可通过硬件描述语言,用软件的形式将各种数理逻辑下载到FPGA 里,从而重新定义芯片功能,尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域,只需要几百毫秒即可更新芯片的逻辑功能的FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本,是一种兼具功能性和经济效益的选择,这是其他数字芯片所无法实现的。

基于设计灵活、兼容性强、并行计算、适用性强等特点,FPGA芯片被广泛应用在智能设备中。早期,因无需高额流片即可验证芯片产品,在量产初期或者开展研发类项目,FPGA的性价比优势最为明显,在部分应用场景可实现对ASIC的部分替代。但当量产规模提升后,FPGA的性能优势以及成本优势反而下降,且该时期内FPGA的传统优势反而对产品及市场推广意义较低,因此该时期OEM厂商通常会使用ASIC。

目前,FPGA芯片应用场景覆盖了包括网络通信、工业控制、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。未来,随着全球新一代通信设备部署以及人工智能与自动驾驶技术等新兴市场领域需求的不断增长,FPGA芯片市场规模预计将持续提高。

网络通信领域是FPGA下游应用最广泛的场景,有效实现了大量高速数字信号处理功能。有数据显示,2018年全球FPGA通信市场占据整体应用市场近45%。FPGA目前被大量应用在有线及无线通信设备中,实现接口扩展、逻辑控制、数据处理、单芯片系统等功能。

同时,5G商业化浪潮正在为FPGA打开新的成长空间,基站数量、扩展性、异构性需求将带动FPGA器件用量提升。另一方面,由于5G通讯拥有较长的迭代升级过程和较大的技术不确定性,这使得市场很难快速推出成熟的5G ASIC芯片,从而为FPGA在5G领域的运用提供了较长的时间窗口。在整个5G系统方案稳定运行前,FPGA是更加理想的解决方案,而随着FPGA整体技术水平的不断提升,其总体持有成本较低的优势期有望持续延长。

工业市场是FPGA仅次于通信的第二大市场,FPGA可帮助工业应用实现更智能化、高性能、低能耗的解决方案。以数控机床马达为例,与传统只能控制单一马达的专用芯片相比,基于FPGA的多通道马达控制能够实现。随着以自动化为核心要素的智能无人工厂的发展,正在从以人力资源为核心要素转向以自动化为核心要素的智能化无人工厂,集成化与安全性要求提高,FPGA实时性和高并行性价值将更加凸显。

消费电子市场对产品性价比要求较为严苛,为实现性价比与差异化的平衡,消费电子厂商目前已形成一种类似协处理器,功能简单、功耗低、性价比高的以FPGA作为主芯片的解决方案。此外,消费电子产品迭代周期快,FPGA芯片开发周期较短特点与消费电子板块匹配。同时,FPGA芯片灵活支持接口转换,可实现各种存储接口的控制,简化外围电路设计。

汽车电子领域,FPGA芯片因低时延存在天然优势。由于FPGA具有强逻辑性,当汽车电子系统当中的逻辑单元较多时,采用FPGA技术能够将这些逻辑单元准确排列,提高汽车电子系统中逻辑单元的利用率;同时,由于FPGA内部结构较易实现分布式算法结构,对实现汽车电子中的高速数字信号处理十分有利。FPGA在汽车领域可应用于ADAS、车载摄像头、传感器、激光雷达、车载娱乐信息系统等,应用面广泛。此外,FPGA方案可以在不进行重新设计的前提下实现重新编程,以适应不断发展的算法,从而缩短整体方案的开发周期。

Frost&Sullivan数据显示,2020年应用于汽车电子领域的FPGA芯片中国销售额将达到9.5亿元,占中国FPGA芯片市场份额的6.3%,2021年-2025年年均复合增长率将达到22.7%。

通过其适用市场可以看到,FPGA相比较于其他通用逻辑器件或者ASIC,在灵活性、小规模部署成本方面有优势,正好满足了5G通信业务灵活部署、AIoT市场长尾碎片化的需求。

但是,优势之外,FPGA存在规模普及的难点,由于较高难度的编程设计,对于更新周期极快的IC行业,客户需要便捷方便的设计环境,以提升生产力、缩短上市时间、尽可能实现集成化需求。这就对赛灵思、英特尔等FPGA芯片厂商提出了要求,通过增加软件的通用性来进一步降低客户的使用壁垒。

FPGA市场涌动

最近两年,由于云计算、高性能计算和人工智能的繁荣,给FPGA带来新的市场推动力,催化增量空间。

人工智能领域,AI大规模发展目前仍存在许多芯片层面的问题,AI的基础硬件需要满足低延迟、高性能、高可靠性、高性价比等要求,这些刚好是FPGA能够充分满足的。FPGA芯片已与GPU及ASIC等芯片一起成为人工智能处理芯片的重要选择之一。

在AI市场,FPGA芯片可以作为加速卡加速人工智能算法的硬件级运算速度。高密度FPGA面向云侧并行运算需求,中低密度面向端侧推断任务转移。

云端:FPGA流水线并行结构,可以实现更高的并发处理。FPGA可针对数据包步骤数量搭建同等数量流水线,数据包经多个流水线处理后可即时输出,无需像GPU一样数据单元一致输出,因此计算密集型任务(如图像处理、机器学习等)中,拥有流水线并行和数据并行的高密度FPGA效率更高。

端侧:当推断决策任务转至智能终端,中低密度FPGA迎来用武之地。随着智能终端对实时响应和多样化应用的需求,越来越多的推断任务被转移到端侧来完成。为实现推断任务的转移,通常对训练后的人工智能算法模型进行压缩,进而应用到推理环节,FPGA芯片可实现快速推断决策的特点也使其可广泛应用于该领域。

因此,FPGA 芯片在矩阵运算、图像处理、机器学习、非对称加密、搜索排序等人工智能领域有着很广阔的应用前景。Semico Research预测,FPGA在人工智能领域的市场规模2023年有望达52亿美元,五年复合增速38.4%。

2016-2025年中国FPGA人工智能领域市场规模

(图源:Frost&Sullivan)

在高性能计算和数据中心市场,FPGA 芯片不但可以作为运算加速器,还可以作为连接器件让大型数据中心中众多的运算处理器和运算加速器更紧密地结合。

FPGA在数据中心领域主要产品形态为加速卡,用于硬件加速。位于网络交换层与传统服务器软件之间,加速层通过众多FPGA支撑虚拟网络模型计算任务,使得硅片内存完整加载模型权重,突破DRAM性能瓶颈,同时剩余资源可用于深度神经网络等计算任务。

英特尔FPGA中国创新中心总经理张瑞在接受采访时表示,从未来发展角度来看,FPGA在加速器市场的需求会很大。包括数据中心当中的加速器,数据中心之外的加速器,都需要通过FPGA做各种加速。

当前,FPGA已成为全球数据中心加速器市场中最高成长领域,据Semico Research预计,全球市场数据中心加速器市场将从2018年的28.4亿美元增长到2023年的211.9亿美元,年复合增长率49.47%;其中,FPGA预计将是年复合增长率最高的细分市场,该增长将由企业级工作负载加速应用对FPGA越来越多的采用而驱动。

2018-2023年全球数据中心加速器FPGA市场规模

(图源:Frost&Sullivan)

在数据中心市场增速迅猛的趋势下,在近日SC21 全球超级计算大会上,赛灵思宣布推出 Alveo™ U55C 数据中心加速器卡,以及一款基于标准、API-driven的集群解决方案,用于大规模部署FPGA。专为HPC和大数据工作负载而构建,可令运行大规模计算工作负载的各类客户大获裨益,支持其利用现有数据中心基础架构和网络,实现强大的基于FPGA的HPC集群。

回顾过去,在传统的FPGA业务模型里,FPGA厂商通常只负责卖给客户FPGA芯片和FPGA的开发工具这两样东西,然后主要的开发过程往往由客户完成。如今,FPGA厂商更倾向于提供给客户一个完整的系统级解决方案。两大FPGA厂商赛灵思和英特尔目前纷纷推出的各类FPGA加速卡,就是这个趋势的典型代表。

总体而言,在今天,FPGA厂商已经从单纯提供FPGA芯片和底层开发工具,逐渐转变成提供基于FPGA加速卡和完整软件开发环境的全栈式解决方案。同时,第三方FPGA加速卡的出现,也极大的丰富了FPGA加速卡产品的可选择性,以针对不同应用场景下的用户需求。通过提供这些完整的开发环境,大大简化了FPGA的开发难度,使得软件开发人员也能在短时间内完成算法模型的FPGA实现。

这些转变背后的主要动力,就是当前FPGA在诸多领域的广泛而深入的使用。只要FPGA还能不断推动AI和大数据时代的发展,这个趋势就会继续前行。FPGA厂商的目的在于不断提供原厂软硬件解决方案的同时,也在不断吸收第三方的IP与应用,从而构建一个完整的FPGA生态系统。

此外,近期DPU和智能网卡概念异常火爆,从Mellanox、英伟达到英特尔,各路诸侯纷纷加入战场,各种概念Smart NIC、DPU、IPU层出不穷。FPGA被集成到智能网卡或DPU中,用于降低高负载应用情况下的切换带来的延迟和网络抖动,以及把一些需要硬件加速的通用计算用FPGA加速,进一步释放CPU。FPGA可提供强大的计算能力和足够的灵活性,具有低延迟、高功耗的特点。

英特尔2021年6月发布的IPU产品(可以被视为英特尔版本的DPU),将FPGA与Xeon D系列处理器集成,成为了DPU赛道有力的竞争者。

瑞萨进军FPGA市场

不断扩展的应用市场之外,半导体老玩家的跨行入局或给FPGA市场增添新的“变数”。

近日,先进半导体解决方案的主要供应商瑞萨电子推出全新的超低成本、超低功耗产品线ForgeFPGA™,进军FPGA市场。

瑞萨官方表示,这款FPGA的批量价格将远低于0.5美元,主要服务于低于5000逻辑门应用的中低密度市场,其初始器件尺寸为1K和2K查找表(LUT)。预计待机功耗低于20uA,是现有功耗最低的产品,约为竞品的一半,这将有助于帮助瑞萨电子进入以前由于成本限制而无法使用FPGA的应用市场,如大批量消费和物联网应用。

中国电子报消息,ForgeFPGA产品家族开发团队来自被Dialog收购的Silego Technology公司,其曾经推出GreenPAK可编程混合信号器件。瑞萨最近完成了对Dialog的收购,并将该产品纳入自身的产品组合。瑞萨电子物联网及基础设施事业本部混合信号事业部副总裁Davin Lee表示:“我们渴望将瑞萨在小型、低成本、可编程市场的表现扩展至FPGA领域。”

近年来,瑞萨电子频频启动收购扩大自身的产品线。2017年,瑞萨电子以32亿美元收购Intersil公司,2019年以67亿美元完成对IDT公司的收购,今年8月瑞萨电子再次以约48亿欧元收购Dialog公司。通过一系列的收购,瑞萨电子将触角扩大到嵌入式处理器、模拟、电源和通信连接等诸多领域。

瑞萨作为全球领先的半导体厂商,具有多年研发经验和市场积累,并具有与客户的直接沟通优势。小型、低成本FPGA的推出对FPGA龙头企业的高端产品或许不会造成太大冲击,但不可避免的会对中低端FPGA的生产厂商形成巨大的竞争压力。

尽管此时谈其对市场的冲击尚早,FPGA并非终端产品,应用场景还需要拓展,需要依赖瑞萨自身结合MCU、模拟、电源等开发出组合产品,拿出较好的应用范例。但瑞萨的入场,也给看似稳固的FPGA市场增添了一丝波澜。

独立FPGA企业再生波澜

波澜还体现在另一方面,随着赛灵思被AMD收购的行进,以及早期Altera被英特尔的并入,在巨头先后被收购之后,FPGA垂直赛道似乎缺少了绝对的领导者,独立FPGA企业(包括Lattice、Achronix、Flexlogic等以及国内FPGA企业)的未来成为了很多人关心的问题。

从Achronix发展来看,尽管市场份额依旧被两大巨头牢牢把持,但在细分领域挖掘机会的Achronix也形成了自己的特色和独特的竞争力,除了“传统”FPGA芯片产品之外,Achronix还是目前主要的嵌入式FPGA(eFPGA)的主要IP提供商。

上文也有介绍,与独立的FPGA设计过程不同,eFPGA设计者可以选择客户应用程序所需的逻辑、DSP和内存资源,进一步提高灵活性,同时还能够降低系统成本。另外,eFPGA的最主要特点是能将可编程逻辑单元与其他ASIC IP整合到同一款SoC中,在缩小芯片面积的同时降低系统功耗,具有低延迟和高带宽的优点。

图源:Achronix

从其发展路径来看,Achronix正在凭借独一无二的模式在FPGA突围路上跃跃欲试。目前,Achronix的eFPGA IP广泛应用高性能、计算密集型和需要实时处理的应用程序,比如AI、机器学习、5G和汽车等,将目标瞄准近100亿美元的数据加速市场,预计到2025年,其复合年增长率将达到两位数。此外,Achronix已经将自己的FPGA调整为成为下一代数据中心核心的DPU,抢占行业先机。

能够发现,在新的需求不断涌现、算法迅速迭代的新时代,加强创新、关注新兴市场和差异化市场,形成行业壁垒,或是独立FPGA企业新的追赶机遇。

但也有观点指出,从短期来看,巨头公司间的并购可能会对整体市场带来一些短暂的波动,例如价格,交期等各方面的影响。但从长远来看,这种波动会很快平息,市场会逐渐趋于稳定。

或许吧,在任何稳固的市场中都难有实现突围的机会。对于中小FPGA厂商来说,能做的可能就是在每一次短暂的波动中寻求机遇,快速发展。否则,终将被趋于稳定后的市场再次拉大距离。

写在最后

当前时代,计算力就是生产力。算力的变革往往会催生新的计算形式,并驱动产业链的整合兼并。曾经,原型设计、新品开发等需求催生了灵活可编程的“万能芯片”FPGA。如今,数据中心、AI、5G等高算力需求,正在为FPGA开辟新的市场空间。

在下一波计算浪潮中,预计业界将继续采用FPGA来支持更多应用和进一步的发展,诸如智能网联和自动驾驶、边缘计算、以及用于可编程无线电和前传融合的5G基础设施等等。面对巨大的市场前景和机遇,行业玩家纷纷入局,试图分一杯羹。

纵观行业格局,在全球范围内,FPGA行业的主要市场份额常年被赛灵思和英特尔两家公司牢牢掌握,两者市场占比合计超过85%。随着时间的积累,这两家公司逐渐构建起一道由上万件核心技术专利组成的“护城河”,而这条护城河也成功阻止了很多FPGA公司进一步发展的脚步。一些存活下来的公司,比如Lattice和Microsemi也往往只能靠剑走偏锋,专攻低功耗、航空航天等特殊的应用领域,当前合计占据5.6%的市场份额。

FPGA是一个技术壁垒高的行业,硬件结构复杂且良率低,随着FPGA芯片密度越来越高,软硬协同研发对设计公司提出了更大的难度。由于起步时间较晚,产品迭代优化均需要长期积累,国产FPGA厂商在生态系统、专利技术、研发人才、研制难度等方面仍面临较大挑战。目前在FPGA IP领域,国内既缺乏诸如Cadence等此类IP公司,Achronix此类的细分化、专业化的IP公司也尚未出现,IP均存在严重依赖。

但尽管市场被国外企业高度垄断,中国FPGA的市场规模及前景也不容忽视。根据Frost&Sullivan数据,中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2020年的约150.3亿元,年均复合增长率约为23.1%。随着5G、AI以及数据中心等市场的发展,国产替代进程的进一步加速,中国FPGA市场需求量有望持续扩大。预计到2025年,中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元,增速远高于全球市场。

从整个产业链或芯片品类来看,FPGA或只是小众的芯片,但在各新兴市场不断涌现,半导体国产化替代趋势逐渐加速的市场现状下,本土企业在每一种技术路线上都有更多的发挥空间。有业内人士表示,在这轮FPGA市场的变革当中,国产独立FPGA企业将承担更多国产化需求角色。与此同时,国产独立FPGA企业也将更多的助力遍地开花的国产芯片企业的崛起,并在差异化应用场景满足各类需求。

结合近日刚刚登陆科创板的安路科技,以及高云半导体、紫光同创、复旦微电子、京微齐力等本土FPGA厂商的动态和产品进展,都呈现出欣欣向荣的景象。但景气背后,从技术层面来看,独立的国产FPGA和国外巨头差距仍旧较大。

正如“老石谈芯”所强调的:技术的发展没有捷径,不要过分迷信“弯道超车”。特别是对于专利壁垒极高的FPGA产业,不论是芯片架构、关键IP、高速接口等芯片硬件设计,还是FPGA设计工具和生态系统建设,都不太可能通过一次次“弯道超车”实现。Achronix的技术积累并非一蹴而就,而是需要长达十几年的时间不断沉淀和创新。只有不断在正确的赛道上积累和加速,才能像Achronix那样,有朝一日在主流舞台和那些主要玩家们同场竞技。

国内FPGA企业要拥抱新技术、新方向,去发掘更多的差异化市场,贴合细分市场需求进行“微创新”;要有离开“舒适区”,敢于对决的勇气,向不断蓬勃涌现的新兴FPGA应用领域发起冲击。

【本文作者L晨光,由投资界合作伙伴微信公众号:半导体行业观察授权发布,文章版权归原作者及原出处所有,转载请联系原出处。文章系作者个人观点,不代表投资界立场。如内容、图片有任何版权问题,请联系(editor@zero2ipo.com.cn)投资界处理。】