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前言

本文來聊聊目前國內FPGA發展到了什么水平？都有哪些做得比較好的公司？FPGA國產替代所需要考慮哪些因素？

部分內容和數據參考自網絡和官方網站，有不對或不準確的地方，希望能和各位大佬一起探討、學習。

FPGA，萬能芯片！以其強大的并行計算能力、功能靈活可定制等優點，被廣泛應用于通信、醫療、電力、軍工等高速、大數據量的領域，以及IC和ASIC設計前期原型驗證系統。

自1985年由Xilinx的創始人之一Ross Freeman發明之后，全球90%的FPGA市場一直被國外廠家所占有。

FPGA的市場前景極其誘人，同時門檻也在芯片行業無出其右。自FPGA被發明以來，全球約有60多家公司斥資數十億美元，前赴后繼的嘗試FPGA這塊高地，其中不乏Intel、IBM、TI、Motorola、Philips、TOSHIBA、SAMSUNG這樣的行業巨鱷，但是最終登頂成功的只有位于美國硅谷的四家公司：Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家公司占據了全球近90%的市場份額，同時也擁有著FPGA領域絕大多數專利，形成了高不可攀的技術壁壘。

由于疫情席卷全球，FPGA芯片生產上下游企業都受到了影響，導致FPGA芯片價格上漲的非常高，一些用量比較大的中低端FPGA產品的價格是原來的幾十倍，而且是處于有價無市的狀態！一些高端、高性能的FPGA芯片價格反而不那么貴，果然還是市場決定價格！

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有哪些國產FPGA廠商？

雖然FPGA芯片行業有極高的技術壁壘，但我國一直沒有停止對FPGA技術的探索，從逆向設計到自主研發，從軍工領域到市場廣闊的工業、民用領域。

目前主流的FPGA廠商主要有以下幾家公司，產品基本應用于通信、工業、軍工、消費電子領域。

1.紫光同創（深圳）

https://www.pangomicro.com/

紫光同創的FPGA產品分為3大系列：Titan、Logos和Compa系列。

Titan系列

高速、高性能。Titan系列是中國第一款國產自主產權千萬門級高性能FPGA產品，174K等效LUT4單元，最高頻率500MHz，5.0Gbps SERDES接口，800Mbps DDR3和LVDS，PCIe Gen2x4，適用于通信網絡、信息安全、數據中心、工業控制等領域。

Logos系列

高性價比。全新LUT5結構，集成RAM、DSP、ADC、SERDES、DDR3等豐富的片上資源，支持多種標準IO，LVDS、MIPI接口等，廣泛應用于工業控制、通信、消費類等領域，是大批量、成本敏感型項目的理想選擇。

Compact系列

CPLD產品，低功耗、低成本。Compa系列CPLD產品，低功耗、低成本、小尺寸，支持MIPI、LVDS、I2C、SPI、OSC、RAM、PLL等，用戶IO高達383個，支持3.3/2.5V內核、或1.2V低電壓內核，適用于系統配置、接口擴展和橋接、板級電源管理、上電時序管理、傳感器融合等應用需求。

紫光同創的FPGA產品軟硬件生態比較好，芯片文檔手冊、評估板與下載器、EDA軟件與License、IP核資源、線下培訓、大學計劃、比賽贊助等等做得都很不錯。

下圖為紫光同創和黑金動力社區聯合出品的開發板：

2.安路科技（上海）

http://www.anlogic.com/

FPGA共有兩大系列：SALEAGLE和SALELF系列

SALEAGLE系列

分為兩個產品型號：EG4和AL3。

EG4：19600個 LUT，55nm工藝，靜態功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO，用戶IO數量71到193個，片上8位ADC，1M采樣率，8通道輸入。

AL3：8640個 LUT，65nm工藝，靜態功耗最低4mA，用戶IO數量從60到184個，豐富的DSP、BRAM、高速差分IO等資源，強大的引腳兼容替換性能。

SALELF系列

小精靈系列FPGA，共有3代產品，單芯片方案，即時啟動，無需要外部Flash，支持OTP模式，55nm工藝，部分產品型號內嵌硬核MCU。

安路科技還自主研發了FPGA集成開發環境——TangDynasty(TD)，支持標準的設計輸入方式，完整的電路優化流程以及豐富的分析與調試工具，并提供良好的第三方設計驗證工具接口，為所有基于安路科技FPGA產品的應用設計提供有力支持。

3.高云半導體（廣州）

http://www.gowinsemi.com.cn/

FPGA產品主要有兩個系列：晨曦系列和小蜜蜂系列。

晨熙系列

55nm SRAM工藝，具有高性能的 DSP 資源，高速 LVDS 接口以及豐富的 B-SRAM 存儲器資源，適用于高速低成本的應用場合。

小蜜蜂家族

低功耗、低成本、瞬時啟動、高安全性的非易失性可編輯邏輯器件。包括SoC產品和非SoC產品，SoC產品內嵌 ARM Cortex-M3硬核處理器，GW1NS系列產品內嵌 USB2.0 PHY、用戶閃存以及 ADC 轉換器。

SoC產品實現了可編程邏輯器件和嵌入式處理器的無縫連接，兼容多種外圍器件標準，可大幅降低用戶成本，可廣 泛應用于工業控制、通信、物聯網、伺服驅動、消費等多個領域。

GW1NRF系列藍牙 FPGA器件，以 32 位硬核微處理器為核心，支持藍牙 5.0 低功耗射頻功能，具有豐富的邏輯單元、內嵌 B-SRAM 和 DSP 資源，IO 資源豐富，系統內部有電源管理模塊和安全加密模塊。

4.復旦微（上海）

http://www.fmsh.com

復旦微是國內FPGA領域技術較為領先的公司之一，目前已可提供千萬門級FPGA芯片、億門級FPGA芯片以及嵌入式可編程器件（PSoC）共三個系列的產品。復旦微的億門級FPGA芯片，基于28nm工藝制程，采用業內先進的CMOS工藝，是國內最早研制成功的億門級FPGA芯片，且目前已經實現了量產銷售。

復旦微于2019年推出自主研發致力于完整可編程器件開發流程的工具軟件Procise，是國內FPGA領域首款超大規模全流程EDA設計工具，其界面友好、功能強大且簡單易用，但由于推出時間較賽靈思的Vivado晚，版本迭代次數相對較少，開發工具各項功能及可用IP庫還需進一步完善。

公司也在積極開發新一代14/16nm工藝制程10億門級產品的開發，同時結合CPU、AI技術，在國內率先開發PSoC芯片，拓展新的戰場，保持公司在國產FPGA技術上的領先地位。

但相比行業龍頭賽靈思截至2021年4月的營收31.48億美元，公司2020營收僅為1.53億元，在經營規模上仍有較大差距。

下圖是基于復旦微FMQL45T900芯片的開發板，可替代Xilinx ZYNQ FPGA 7045，集成FPGA和四核ARM Cortex-A7。

5.智多晶（西安）

http://www.isilicontech.com/

共分為3個系列：Seagull 1000，Seagull 2000和Seagull 5000系列。

Seagull 1000系列

64、128、256邏輯單元可選，0.162um工藝，最大頻率Fmax=322MHz

Seagull 2000系列

5K、12K、25K邏輯單元可選，低功耗55nm工藝，內置硬核DSP，內置 Flash，LVDS最高發送速率可達840Mbps，接收速率可達875Mbps，支持400Mbps DDR2 SDRAM接口，支持MIPI，接口速率高達1.2Gbps，支持常見的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO標準。

Seagull 5000系列

30K 至 325K 邏輯單元的器件，多達 500 個用戶IO，LUT6結構，先進 28nm 銅 CMOS 工藝，最大頻率500MHz，硬件乘法器，LVDS 接口高達 1.6 Gbps，嵌入式硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器。

6.京微齊力（北京）

http://hercules-micro.com/

共分為：HME-R（河）、HME-M（華山）、HME-P（飛馬）和HME-H（大力神）4個系列。目前已經全面實現65/55/40nm量產，2022年開始22nm規模量產。

HME-R系列

低功耗、高性價比，40nm工藝，LUT4結構，邏輯容量為1-3K，主要面向低功耗應用領域，內嵌存儲器，最小支持1.5mmx1.5mm封裝。

HME-H系列

集成ARM Cortex-M3硬核控制器和高性能FPGA，ARM核最大時鐘300MHz，邏輯性能最大200MHz，硬核形式整合以太網、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外設，能夠滿足不同應用場合的“可定制可重構可編程”設計需求，實現了FPGA的SoC化。

HME-P系列

TSMC 40nm CMOS工藝，全新的LUT6結構，6.5Gbps Serdes高速I/O，1333M bps硬核DDR2/3控制和PHY，高速AXI、PCIe、DDR2/3硬核IP，面向需要高速率高性能大容量的FPGA市場。

HME-H系列

集成高性能FPGA、增強型MCU和MIPI接口的智能型視頻橋接器件，增強型8051 MCU，內嵌DSP單元，主要面向視頻處理領域，可廣泛應用于手機、平板、可穿戴、VR、AR、無人機和智能家居等市場。

FX-伏羲軟件是京微齊力自主研發的一款EDA軟件，可以進行FPGA和SoC應用設計，還可以支持其他常用的第三方設計工具進行協同設計。友好的圖形化用戶界面，豐富的IP，支持命令行操作，支持遠程下載編程，比特率加密，片上調試等等。

國內的FPGA廠商還處于發展期，市場占有率和營收規模還比較有限，但是可以說是國家的希望和未來。

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國產替代需要考慮的因素

對于國內這么大的FPGA市場，如果要進行FPGA國產化方案替代，以下幾個因素是需要考慮的：

1.工藝制程、門級規模、SerDes速率

這3個參數，也是衡量FPGA基本性能的重要指標，工藝制程直接影響芯片的功耗、性能和成本，如果功耗過大，那么在硬件設計時就需要考慮電源的功率和散熱問題。制程同樣也影響著門級規模，越高的制程工藝，那么在同樣面積大小的晶圓上就可以做出更大規模的門級電路，當然也具有更大的設計空間。SerDes的傳輸速率，則影響FPGA在進行高速數據傳輸、處理時的性能。

以市場占有率較高的Xilinx為例，最新的UltraSCALE+系列FPGA芯片的制程工藝已經達到了16nm，而國產FPGA廠商的大多產品還是28nm工藝。

2.可靠性、穩定性和一致性

FPGA通常應用在一些需要高速、實時處理的場景，可靠性、穩定性極為重要。芯片在不同溫度、濕度、震動、鹽霧等環境下的性能表現？芯片的壽命能使用多久？每顆芯片的性能參數是否在一定范圍內保持一致？這些都是需要在進行國產化替代時，需要考慮的問題。

3.兼容芯片的兼容性和知識產權問題

國產FPGA是從逆向設計轉到自主研發的，有的國內FPGA廠商提供有完全兼容Xilinx、Altera部分型號的FPGA芯片，對于這類產品，需要考慮FPGA硬件和軟件的兼容性。

硬件方面，是Pin對Pin兼容，可以無需修改電路直接替換，還是需要做一些改動，比如高速接口的阻抗匹配、走線長度等等。

軟件方面，需要考慮開發工具的兼容性，比如FPGA開發、調試、下載工具，MCU開發工具，IP核和RTL級代碼、原語的兼容性等等，是否需要在原來的開發環境基礎上安裝額外的補丁包來適配。

另外，如果你的產品需要出口到國外地區進行銷售，使用兼容型號的FPGA芯片，可能會涉及到知識產權問題，要和芯片廠商溝通確認。

4.自研芯片的生態

如果是完全自主研發的FPGA芯片，需要考慮芯片的生態，包括開發圖形化EDA開發工具的使用，對第三方工具的支持，如Modelsim，是否支持Verilog/VHDL混合編程，提供的IP核的豐富程度，開發板，芯片手冊/應用文檔等。

5.性價比、貨源

芯片的性價比是極為重要的一個因素，相比于Xilinx和Altera，如果同等性能的芯片，國產FPGA芯片有價格優勢，我相信很多用戶會選擇進行國產替代。

從設計角度來考慮，還需要看這款芯片的電源要求、外圍電路、阻抗走線、封裝等是否是常用的設計要求。

從供應鏈角度，需要考慮這款芯片的供貨穩定性、供貨周期等多個因素。

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總結

相比于Xilinx、Altera等FPGA巨頭，國內FPGA研發起步較晚，但差距在逐漸縮小，和頭部廠商的差距已經由三代縮短到兩代。在當前國家對芯片行業的大力支持下，以及FPGA在5G和AI領域的廣泛應用，這些現狀對于國產FPGA廠商來說，是一個難得的機遇。

審核編輯 ：李倩