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半导体

从特殊领域入手 中国FPGA企业期待突破

  编者按:
  面对30亿美元的FPGA(现场可编程门阵列)市场,很多国内IC企业都会跃跃欲试。然而,这个市场仅有几家企业掌握着游戏规则,市场高度集中。目前我们还没有看到国内FPGA企业崛起的身影。那么,国内FPGA企业究竟如何突围?采用哪些发展策略?为此,我们特别约请业内专家发表了自己的看法。
特约嘉宾


 

中国航天电子技术研究院第772研究所所长赵元富



 


北京交通大学计算机与信息技术学院综合实验室主任丁晓明


 


清华大学电子工程系教授周祖成


 

北京邮电大学无线新技术研究所硬件与系统研究室主任王勇


 

雅格罗技(北京)科技有限公司营销总监蒋伟斌


 


  中国企业介入需要储备
  ·FPGA代表了集成电路非常重要的发展方向,中国企业非做不可。
  ·在由中国制造模式转变为中国创造模式的发展趋势下,中国自己的FPGA企业必有崭露头角的一天。


  赵元富 从系统应用的便利程度来说,FPGA绝对是一个生命力很强的技术。目前,世界上FPGA领域被3家企业占据,还没有出现一个能够与3家公司抗衡的企业。
由于国家的重视,目前国内研究和开发FPGA的机构逐渐增多,包括学校、科研院所及公司,但真正在市场上能够卖的产品并不多。
  中国作为一个大国,站在国家的战略层面上看,FPGA是非做不可的,即使没有自主创新的技术,但至少也要做到自主可控。因为FPGA代表了集成电路非常重要的方向,今后有可能像CPU一样。当国内企业的水平离那些发达国家很远的时候,他们不会注意到你,会卖给你一些产品。但随着国内企业技术水平的逐渐提高,以至于和他们越来越接近,这时候,他们对核心器件的控制就会很严格,我们便不能轻易得到核心技术和产品。
  国内FPGA最有可能突破的领域主要是以下两个:第一是应用在国家核心安全部门的FPGA,如军事及航空航天领域,这些领域会比较强地体现国家意志;第二是用量比较大的嵌入式应用,就是把FPGA嵌入到SoC的电路中。
  丁晓明 在可编程器件生产及应用方面,国内企业虽然起步晚,但在由中国制造模式转变为中国创造模式的发展趋势下,中国自己的FPGA企业必有崭露头角的一天。
  周祖成 经过25年的发展,FPGA受到越来越多的电子系统设计师的关注,主要表现在以下几方面:
  1.FPGA的可编程性是与生俱来的,它导致了电子设计的软硬件协调和并行,极大地提高了设计效率并减少了资源占用。
  2.由于掩膜成本、工具成本和开发成本(人年数)居高不下,ASIC设计的NRE(一次性工程费用)又变得难以接受(45纳米工艺ASIC的投片成功率理论上为50%%),相反FPGA比ASIC的开发时间平均少55%%,所以近3年来电子系统用ASIC的设计下降了50%%。
  3.从1990年到2010年,FPGA的价格下降到原来的1/2500,集成度提高了1000倍,功耗降低到原来的1/250,速度提高了200倍。
  4.从只用于原型设计,到代替定制芯片,FPGA市场迅速扩展到ASIC的传统市场,将来很多系统会以FPGA为中心来设计。
  我想中国FPGA企业不是有没有机会,而是会大有作为。
  王勇 由于FPGA涉及半导体、高性能硬件技术、软件技术、EDA工具等多个高难度领域,门槛很高,限制了新厂商的进入。
  由于市场竞争和上市时间的压力,客户已经很难有耐心和承受能力去选用新入厂商尤其是国内厂商的产品。因此,短期内,中国厂商将很难有大的机会。
  蒋伟斌 将来FPGA一定要蚕食一些ASIC和ASSP市场,这一点无论是在军事、航空航天领域,还是在民用市场,都是毋庸置疑的。目前,22纳米和40纳米流片费用都达到上百万元,如果ASIC流片失败,或者一次流片成功但如果数量不够大的话,成本也会很高,因此很难收回成本。而FPGA恰恰在成本及产品快速上市方面具有优势。在国内,无论是政府还是军工领域都希望能够有自主知识产权的FPGA。


  在特殊领域国内企业有优势
  ·中国FPGA企业在军工领域有自己的优势,并且已经做得相当不错了。
  ·背靠国内巨大的市场,国内FPGA更贴近客户,方便和客户交流沟通。


  赵元富 在FPGA领域,由于赛灵思等国外大公司的垄断,使得国内产品缺乏竞争力。而且,这些大公司的换代产品推出后,即门数提高后,会向下兼容,但价格不变,这使得国内企业的生存环境日益恶化。尽管如此,背靠国内巨大的市场,国内FPGA厂商仍旧有自己的优势,比如更贴近客户,方便和客户交流沟通,针对他们的需要研发有针对性的产品。此外,FPGA在国外发展了很多年,我们可以向国外公司学到一些技术和经验,看着他们走过的路哪些是正确的,哪些产品是市场需要的。
  丁晓明 如果人们仔细分析国内FPGA器件在哪些行业或专业市场拥有一定客户后就会发现,这些行业的产品必定有自己独特的技术和知识产权,这就是国外产品所不能替代的优势所在。
  周祖成 对国内企业来讲,FPGA市场和以FPGA为核心的电子设计业,是留给我们的最后一块蛋糕。从上个世纪80年代末我们引进FPGA器件以来,经过了用FPGA做芯片设计的原型验证阶段、用FPGA的可重配置性做电路、系统和标准的设计论证阶段,到目前的成本越来越低,更多企业已经直接把FPGA用到产品上。
  对中国企业说来,不存在用不用的问题,只存在如何用的问题。从以PCB为主的电子系统转到以片上系统设计为主的FPGA,老的设计人员有其系统背景的优势,新一代的大学毕业生有编程的优势,只要结合得好,应该说我们在应用FPGA做电子系统与电路设计上是有独特的竞争优势的。
  我认为一个是转变电子设计的观念,一个是加速培养有系统背景的设计人员,建议成立FPGA设计的培训学院,请高校名师和有FPGA设计经验的工程师,迅速提升有系统设计经验人员的FPGA设计素质。
  王勇 针对国内市场的特殊情况,国内企业采取了差异化竞争战略,推出了具有差异化特点的产品。
  国内企业能否发展壮大,取决于他们首先能否在军工或专业细分市场中找到自己的利基市场,首先生存下来,然后再提升自己的技术能力,提升产品的功能、性能与竞争力,逐步扩大市场及份额。
  世界是平的。从长期看,国内厂商能否真正成长起来,推出通用FPGA产品在一般市场上进行性能和性价比的综合竞争是国内厂商的必然要求。
  蒋伟斌 中国FPGA企业在军工领域有自己的优势,并且已经做得相当不错了。同时很多本土客户都希望能够用上国产的FPGA,这是国内FPGA厂商最大的优势。
  而对于民用来说,国内厂商应该从低端走差异化创新的道路,毕竟国外竞争对手很强大。作为国内企业,我们公司研制的FPGA采用小容量并内嵌8051、OTP、FLASH等模式,试图并且已经占领了一些工业控制、医疗设备及液晶屏驱动等市场。雅格罗技有自主知识产权的芯片及EDA配套软件,具有自己的专利,有一整套流程,同时也能兼容一些国外公司EDA设计工具。


  集成处理器是一个趋势
  ·在FPGA中集成嵌入式处理器并非新鲜事物。
  ·在FPGA中集成嵌入式处理器硬核只是FPGA厂商面向有高性能或高集成度需求而推出的针对市场进行细分的针对性产品。


  赵元富 集成处理器是一个趋势,我们也在做这方面工作,只是没有国外公司做得大,我们把存储器、CPU、AD/DA集成在一起,在做系统芯片时嵌入一部分FPGA。
  丁晓明 FPGA厂家是提供了一些有关CPU和DSP处理器的内核,这是为了迎合SoC设计的需要,也是当前嵌入式系统应用需求的趋势。当然从某种意义上讲,FPGA厂家如能研发更多的智能处理内核供系统设计师构建基于FPGA的嵌入式系统设计,势必会引起FPGA产品的大发展。因为今后的嵌入式系统将无所不在,更为精细的系统设计和性价比需求也会迫使FPGA厂家向这个方向发展。
  周祖成 肯定是这样,在FPGA中集成MCU和DSP这是设计可重配置的先导,最后的产品可能同质化,说得绝对一点,到45纳米以后,集成电路的制造业也就会剩下3家,Intel的CPU、三星的存储器和台积电的FPGA及ASIC代工产品。
  王勇 在FPGA中集成嵌入式处理器并非新鲜事物,但高性能FPGA集成的高性能嵌入式处理器内核在商业市场上都不大成功。
  嵌入式处理器一般面向嵌入式应用,通常集成大量通用控制、通信、人机接口与外设。由于批量可以很大,一般成本可以很低。而FPGA一般只集成处理器内核,实现这些接口需要占用大量的逻辑资源,经济性较差、同时在软件资源的丰富性上也难以与通用嵌入式处理器相比。因此,在成本不太敏感的应用中,可能会使用处理器软核,但在大量对成本敏感的中低性能产品应用场合,采用外部嵌入式处理器是通用的做法。
  因此,在FPGA中集成嵌入式处理器硬核并非FPGA主流产品的行业趋势,而只是FPGA厂商面向有高性能或高集成度需求而推出的针对市场进行细分的针对性产品。
  蒋伟斌 这是一种趋势,我们也在做这方面的工作,当然不仅仅是局限在集成ARM这个处理器上,还有别的处理器可以选择。同时FPGA还有其他趋势,如向性能更高、耗电量更低、门数更多、价格更低等方向发展。#p#副标题#e#


  芯片与工具双管齐下
  ·FPGA软件和硬件架构完全相关,这种情况下,软硬要完全结合甚至融合。
  ·考虑完整掌握FPGA的开发技术,更好地方便用户的使用,国内开发自己的FPGA软件工具是必须的。


  赵元富 FPGA软件和硬件架构完全相关,这种情况下,软硬件要完全结合甚至融合,FPGA的软件大多是底层软件,必须与硬件结合。因此,撇开硬件而单独开发软件会非常困难。
  丁晓明 这个问题要一分为二地理解:一是如果在学习消化吸收国外先进技术的阶段,合理引进必要的软件工具和设计方法是非常必要的。但是如果我们的设计方法做到了国际领先,那样我们自主研发的设计工具就有可能走向世界,有可能成为下一代的引领技术。
  在SoC和FPGA的设计领域,我们目前是在学习和消化国外先进的设计方法和工具,但我们不能仅仅停留在引进的基础上。 为此我们在有关设计方法论的研究教学中逐步提出了一种多层次的可重用设计方法学:一是如何借用FPGA的研发平台来实现电子系统或嵌入式系统的教学实践与系统设计培训物理层的可重用设计。二是如何训练硬件设计人员掌握IP核的设计方法或应用IP核的手段,做到在尽可能短的时间内获得更多的效益和最低的设计风险。这就是可重用设计方法学的核心——EDA资源的可重用性。三是能否实现产品设计的可重用,这是当前每个生产企业都很关心的问题。因为产品的上市、升级换代、维护保养都需要人力和物力,但在今天网络时代的大环境下能否利用网络条件来实现具有远程网络结构的产品设计,使它具有基于远程网络下的可重配置结构体系,在以FPGA器件为核心的产品设计中融入软硬件的可重配置技术,使之成为具有有限资源下可体现出无限功能的产品,在可重配置的意义下实现了产品的可重用性。
以上三层都是传统的设计方法加以设计理念的更新所致,但根本上没有解决如何降低硬件(系统)设计的门槛问题。如果我们在设计方法学上采用系统自上而下的设计流程,并借助越来越高级的EDA设计工具,就会使我们的系统设计方法简单化。这就是可重用设计方法学的最高层次:基于EDA设计环境下系统原型算法的可重用性。今天我们已有MATLAB等包罗万象的设计工具箱,有许许多多的软件、系统仿真工具,那么相对于初学者来说,借用类似C语言所建立的系统设计模型算法是比较容易实现的,然而他们利用这些原型算法在利用类似MATLAB环境下进行仿真、优化和系统评估都是非常容易实现的。但是如果EDA设计环境中,集成了能够将高级语言所描述的系统模块自动地转换成由RTL语言所描述的硬件工程的综合工具,显然而后的设计会交给FPGA厂家所提供的设计工具,实现系统的资源优化、逻辑仿真、时序分析以及具体的布局布线设计,最后下载到FPGA的平台上实现硬件的在环测试。这样看来系统设计的各个步骤是自上而下的设计流程,但真正的设计者只需懂得C语言设计就足够了,其他全部要在EDA设计环境中自动完成。这样不就大大降低了系统设计师的专业要求,任何熟悉高级语言的初学者不就能够胜任系统设计的大任了吗?
  周祖成 要建立创新型国家,我想国内还是要自己开发软件工具,尽管这有个过程。
  王勇 由于FPGA开发对软件工具链的依赖性,高质量的软件开发工具是FPGA产品能否推广的重要考查对象,也成为新近FPGA厂商难以逾越的门槛。
  从短期看,由于对开发人员水平和能力的高要求,国内企业可能难以开发高质量、易用的软件工具。再考虑用户易接受度,参加一些开源项目,在使用通用软件开发框架的基础上定制专用开发模块可能是更有效的生存策略。
  从长期看,考虑完整掌握FPGA的开发技术,更好地方便用户的使用,国内开发自己的FPGA软件工具是必须的。
  蒋伟斌 如果要有自己的FPGA,则一定要有自己的EDA工具。目前,我们公司软硬件都是自己开发,并且已经具有自主知识产权的EDA开发环境,软件的名称叫做Primace。


  企业日益重视免费IP服务
  ·能否提供便利、成熟的IP产品与服务,可能会成为FPGA厂商间竞争的重要战场。
  ·为系统厂商提供免费的IP服务是FPGA必须要走的路。


  赵元富 为系统厂商提供免费的IP服务是FPGA必须要走的路,这也是国内企业进入FPGA领域门槛高的原因。只给客户提供芯片还不够,还要为他们提供开发软件,甚至IP。而IP是日积月累的产物,工作量很大,投入也很大。国内一年卖几百片、几千片的公司要和国外一年卖几千万片的公司一样,提供同样的服务平台,所以这就要求国内企业要把应用环境营造好,而这恰恰是中国IC设计公司遇到的瓶颈:中国IC设计企业都比较小,资金也少,还要覆盖整个产业链,难度可想而知。
  丁晓明 这个问题应该这样看待:随着社会分工的更加明细,专业的IP核设计团队必然应运而生。因为设计IP核的成本与风险将由专业队伍承担,将有利于现代工业的发展趋势。但是,对于各种通用算法和系统的基本并常见模块,如果由厂家和业余爱好者提供,也会有利于FPGA的发展。但是为了发展有序、合理和便于推广(不要形成行业垄断),最好由第三方的商用团队来提供IP核。
  王勇 IP服务是集成电路产业链中日益重要的一环。提供IP可以证明FPGA产品的功能、性能或能力,有助于系统厂商选型及评估,从而有助于FPGA产品的推广。因此,FPGA厂商今年越来越重视IP的提供与服务。
  FPGA越来越发展成为系统平台,能否提供便利、成熟的IP产品与服务,可能会成为FPGA厂商间竞争的重要战场。
  蒋伟斌 提供IP服务是毋庸置疑的。我们也提供完整的解决方案,并提供本地化技术支持。



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