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國(guó)產(chǎn)FPGA芯片的窘境

  兩個(gè)月前,國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商安路科技成功于科創(chuàng)板上市。在其招股書(shū)中稱(chēng):“根據(jù)Frost&Sullivan 數(shù)據(jù),以出貨量口徑統(tǒng)計(jì),2019 年,公司FPGA芯片在中國(guó)市場(chǎng)排名第四,在國(guó)產(chǎn)品牌中排名第一!蹦敲催@個(gè)被一些人稱(chēng)作“國(guó)產(chǎn)FPGA第一股”的安路科技究竟怎么樣呢?

  本文將從FPGA行業(yè)的發(fā)展、國(guó)產(chǎn)FPGA的發(fā)展情況以及安路科技的發(fā)展情況進(jìn)行分析。

  安路科技是一家專(zhuān)注于FPGA芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的企業(yè),主營(yíng)業(yè)務(wù)就是FPGA芯片。

  FPGA全稱(chēng)為:現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array),是基于通用邏輯電路陣列的集成電路芯片,其最大的特點(diǎn)是芯片的具體功能是在制造完成以后由用戶(hù)配置決定,因此得名“現(xiàn)場(chǎng)可編程”。

  第一、門(mén)陣列:FPGA芯片是由大量的邏輯門(mén)陣列組成的,而邏輯門(mén)是數(shù)字電路的基本單元。那么FPGA只要控制好這些門(mén)陣列,理論上就可以實(shí)現(xiàn)任意的數(shù)字電路功能。這也是FPGA芯片被稱(chēng)為萬(wàn)能芯片的原因。

  第二、“可編程”:工程師可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言(例如VHDL和Veriglog)控制FPGA芯片上的邏輯門(mén)陣列,這里的“編程”和一般我們?cè)陔娔X上做的軟件編程并不是一個(gè)概念。

  舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),軟件上的編程就像我們?cè)陔娔X上裝了一個(gè)新軟件,實(shí)現(xiàn)了一些新功能。但是裝完軟件的電腦還是那臺(tái)電腦。但像FPGA這種就屬于“硬件上的編程”,這是可以改變硬件結(jié)構(gòu)的。就像一個(gè)FPGA芯片之前被“編程”為了網(wǎng)卡,我們可以重新“編程”,讓它變成一個(gè)聲卡。

  對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō),反熔絲型FPGA也許是一個(gè)最好解釋“硬件編程”的例子,反熔絲型FPGA的一些節(jié)點(diǎn)在未編程時(shí)處于高阻態(tài),是一種近乎斷開(kāi)的狀態(tài)。而在編程后,通過(guò)一定的電壓加在反熔絲點(diǎn),斷開(kāi)的點(diǎn)就短接上了。也就是說(shuō)反熔絲技術(shù)在物理層面上改變了電路的通斷,進(jìn)而改變電路的功能。而如果是軟件的編程,編程如果讓CPU內(nèi)部發(fā)生斷開(kāi)或者短接,那CPU一定是燒壞了。

  就是因?yàn)镕PGA這樣的特點(diǎn),F(xiàn)PGA可以算是應(yīng)用范圍最廣的芯片了,基本各行各業(yè)都能看到它的影子。FPGA雖然應(yīng)用范圍廣,但在每個(gè)領(lǐng)域的用量其實(shí)很少,如同蜻蜓點(diǎn)水。這樣的結(jié)果就是每年的市場(chǎng)規(guī)模缺顯得少得可憐,根據(jù)Frost&Sullivan的統(tǒng)計(jì)2020年全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模約為60.8億美元,而同年全球集成電路產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為3546億美元。

  造成FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模較小的原因其實(shí)就在于市場(chǎng)上有MCU和ASIC這兩位“老大哥”芯片的存在。

  目前FPGA芯片在市場(chǎng)上處于被低成本的MCU芯片和高性能的ASIC芯片夾擊的局面。

  低成本的MCU芯片:MCU芯片也叫單片機(jī),是集CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口于一體的芯片。我們可以將單片機(jī)理解為一個(gè)微型電腦,工程師可以根據(jù)需要編寫(xiě)一些程序,然后將這些程序燒錄到單片機(jī)這個(gè)微型電腦上運(yùn)行。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),單片機(jī)的本質(zhì)就是在“微型電腦”上跑軟件。

  單片機(jī)的效率和性能方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于FPGA與ASIC芯片。(軟件實(shí)現(xiàn)方案不如硬件)因?yàn)閷儆谲浖幊蹋梢宰远x軟件,單片機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣。無(wú)論是從芯片采購(gòu)的成本還是從開(kāi)發(fā)的成本看,都很便宜。

  在電子產(chǎn)品中,很多控制器的開(kāi)發(fā)需求就是:能定制功能、性能夠用,最重要的要控制成本。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),我們要開(kāi)發(fā)一個(gè)遙控器的控制芯片,這個(gè)遙控器有定制功能,所以不能用市面上的通用遙控器芯片。那么在這種情況下,單片機(jī)無(wú)疑是最好的選擇。滿(mǎn)足這種需求的單片機(jī)芯片一般也就幾塊錢(qián)一個(gè),加上其它各種費(fèi)用,最后這個(gè)遙控器的單個(gè)成本可以控制在十幾塊,而且整個(gè)開(kāi)發(fā)周期會(huì)非常短。如果用FPGA方案,開(kāi)發(fā)成本和芯片成本都會(huì)大幅提高。如果選擇設(shè)計(jì)ASIC芯片,那費(fèi)用就更貴了,流片的成本對(duì)于很多小公司是根本無(wú)法接受的。另一方面,就在這種需求場(chǎng)景下,單片機(jī)、FPGA與ASIC的性能差異基本體現(xiàn)不出來(lái)。一個(gè)遙控器按下開(kāi)關(guān)后,是0.1秒還是0.01秒的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是區(qū)別不大的。但一個(gè)遙控器賣(mài)15元還是150元,這個(gè)區(qū)別真的很大。

  也正是因?yàn)檫@樣,我們身邊能接觸到的很多電子產(chǎn)品、家用電器都使用了單片機(jī)芯片,比如:冰箱、洗衣機(jī)、智能汽車(chē)、電腦、電源、鍵盤(pán)、手機(jī)、相機(jī)。(注:在一些復(fù)雜的電子產(chǎn)品上往往是單片機(jī)與其它方案的控制器共同控制)

  單片機(jī)芯片雖然單價(jià)便宜,但就是憑著這種“走量”的發(fā)展思路,其市場(chǎng)規(guī)模比FPGA還大。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)顯示,MCU的市場(chǎng)規(guī)模從2015年的159億美元增長(zhǎng)至2020年207億美元。(2020年FPGA全球市場(chǎng)規(guī)模約為60.8億美元)

  高性能的ASIC芯片:ASIC全稱(chēng)為Application Specific Integrated Circuit即專(zhuān)用集成電路,是一種可以完全定制的芯片。在前文中我們提到過(guò),F(xiàn)PGA是一種可以改變的芯片,為了可以改變,F(xiàn)PGA有獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“改變”的功能。而對(duì)于ASIC來(lái)說(shuō),它在流片之后不需要改變,所以這部分“為了改變而生”的電路結(jié)構(gòu)就可以省掉了。也因此,在同等情況下ASIC性能比FPGA更強(qiáng),功耗也可以做到更低。同樣一個(gè)產(chǎn)品,從FPGA方案轉(zhuǎn)換到相近工藝的ASIC方案,大約可獲得5-25倍的性能提升。(5-25倍為調(diào)查少量實(shí)際案例的所得數(shù)據(jù),僅供參考)

  在成本方面,F(xiàn)PGA的單個(gè)成本基本固定。而ASIC入門(mén)成本高,邊際成本低。一次流片的成本是非常高的,但隨著產(chǎn)量的增大,單片成本又可以降到很低。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)FPGA就像手工制作,而ASIC更像流水線(xiàn)生產(chǎn)。手工制作需要的工具成本低,但生產(chǎn)單個(gè)產(chǎn)品的成本固定。而流水線(xiàn)搭建費(fèi)用高,但只要搭建起來(lái),每個(gè)產(chǎn)品的成本可以非常低。

  有錢(qián)ASIC、沒(méi)錢(qián)單片機(jī)成為兩大主流選擇:對(duì)于想控制成本的小公司或者大公司的小項(xiàng)目,他們會(huì)直接選擇單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如果對(duì)于芯片的性能有要求,或者說(shuō)想做生態(tài)想“走量”的大公司來(lái)說(shuō),ASIC成了合適選擇。

  以5G基站為例,在早期相關(guān)芯片的用量少,而且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的探索與演進(jìn),F(xiàn)PGA在此時(shí)就是非常好的選擇。而在之后,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸確立,5G基站的數(shù)量需求大幅增加,部分原有的FPGA芯片會(huì)替換成ASIC芯片。ASIC芯片規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)就會(huì)在此時(shí)顯現(xiàn)出來(lái)。

  對(duì)于 ASIC芯片相比FPGA芯片性能更強(qiáng)的現(xiàn)狀 ,F(xiàn)PGA廠(chǎng)商的解決辦法是:ASIC芯片性能更強(qiáng)是吧?讓它們加入“FPGA”這個(gè)大家庭就好了。將CPU、GPU這些ASIC芯片和傳統(tǒng)FPGA芯片進(jìn)行組合,成為“融合型FPGA”。這樣整個(gè)產(chǎn)品的性能也有了,F(xiàn)PGA的相關(guān)優(yōu)勢(shì)也保留下來(lái)了。

  比如可以將FPGA和CPU之類(lèi)的融合在一起賣(mài),像賽靈思(Xilinx)的Zynq系列就是將FPGA與ARM CPU整合到一起。而英特爾的至強(qiáng)金牌6138P處理器則是將FPGA與X86 CPU整合到一起。

  又或者是像Xilinx的ACAP,將標(biāo)量處理單元(例如 CPU)、矢量處理單元(例如 DSP、GPU)、可編程邏輯(例如 FPGA)整合到了一起。

  但是朝著“融合型FPGA”發(fā)展也會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題,就是加速FPGA的邊緣化和附庸化。在上述這些融合型FPGA產(chǎn)品中我們可以發(fā)現(xiàn),雖然整個(gè)產(chǎn)品還算FPGA產(chǎn)品,但產(chǎn)品中的“純FPGA”占比越來(lái)越低。CPU、GPU、DSP等非FPGA的成分占比越來(lái)越高了。

  另一方面,在FPGA行業(yè)可以算得上是“龍頭”的企業(yè)主要是兩家,Altera和Xilinx,這兩家在全球的市場(chǎng)份額占比常年處在80%-90%。其中Altera已經(jīng)在2015被英特爾收購(gòu),成為了英特爾FPGA。在收購(gòu)之后推出的類(lèi)似至強(qiáng)金牌6138P處理器這類(lèi)產(chǎn)品中,F(xiàn)PGA的占比已經(jīng)非常低了。在這類(lèi)產(chǎn)品中FPGA已經(jīng)基本處于一個(gè)“附庸”的地位,相當(dāng)于CPU附帶了FPGA功能。而另一家龍頭Xilinx正走在被AMD收購(gòu)的路上,在收購(gòu)之后AMD也有可能推出類(lèi)似的產(chǎn)品與英特爾抗衡。而這種FPGA成為CPU(或者GPU等其它ASIC芯片)的附屬芯片則有可能成為一種趨勢(shì)。

  在全球市場(chǎng)方面,除了Altera(英特爾 FPGA)和Xilinx以外,還有Lattice(萊迪思)及Microsemi有著一定的市場(chǎng)份額。

  在樂(lè)觀(guān)者看來(lái),F(xiàn)PGA國(guó)產(chǎn)化率低,未來(lái)的國(guó)產(chǎn)替代空間大。但是長(zhǎng)期以來(lái)FPGA行業(yè)國(guó)產(chǎn)化率低是有原因的,因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)壁壘非常高。

  對(duì)于FPGA行業(yè)來(lái)說(shuō),做FPGA芯片是需要做整個(gè)開(kāi)發(fā)生態(tài)的,不是只把FPGA芯片流片出來(lái)就行的。

  以EDA(Electronic design automation)工具軟件為例,對(duì)于比較了解這個(gè)行業(yè)的朋友可能會(huì)知道,EDA軟件的開(kāi)發(fā)成本并不低。而在使用FPGA芯片的時(shí)候就必須用到配套的EDA工具。比如Xilinx的Vivado、英特爾的QuartusII、Lattice的Diamond、紫光同創(chuàng)的PDS,這些都是配套各家FPGA芯片的EDA工具。

  FPGA廠(chǎng)商在賣(mài)FPGA芯片的時(shí)候順便提供一個(gè)配套的EDA工具就像賣(mài)手機(jī)送充電器一樣是天經(jīng)地義的事。(蘋(píng)果除外)

  但從研發(fā)成本的角度來(lái)看,雖然EDA基本是送的,但EDA的開(kāi)發(fā)是需要真金白銀砸錢(qián)研發(fā)的。對(duì)于已經(jīng)形成規(guī)模的大公司來(lái)說(shuō),他們的EDA在很多年前就已經(jīng)相對(duì)完善,即使每年不投入高額的研發(fā)費(fèi)用,也能保持領(lǐng)先的地位。而新進(jìn)FPGA企業(yè)即使在每年投入高額的研發(fā)費(fèi)用,也很難做到和大公司一個(gè)水平。

  從使用者的角度來(lái)說(shuō),大廠(chǎng)的EDA軟件在使用過(guò)程中遇到問(wèn)題可以通過(guò)網(wǎng)上查詢(xún)、咨詢(xún)客服等方式快速解決。而國(guó)產(chǎn)FPGA一般都因?yàn)槭褂萌巳狠^少,相關(guān)資料在上也非常稀少,很多問(wèn)題需要較長(zhǎng)的反饋周期才能解決。

  從使用FPGA芯片的公司角度來(lái)說(shuō),國(guó)產(chǎn)FPGA芯片開(kāi)發(fā)環(huán)境的穩(wěn)定性是有待驗(yàn)證的,因此不會(huì)輕易更換國(guó)產(chǎn)芯片。FPGA芯片整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程(此處指拿到FPGA芯片后對(duì)芯片功能進(jìn)行的開(kāi)發(fā))是十分復(fù)雜的,每個(gè)地方都有可能影響到最后的結(jié)果。為了項(xiàng)目成功率更高一些,這些公司更青睞于使用經(jīng)歷了市場(chǎng)考驗(yàn)的大廠(chǎng)FPGA芯片。

  舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),比如一個(gè)畢業(yè)生剛剛參加工作,他在大學(xué)期間熟練使用的是Windows系統(tǒng)的電腦,但單位配發(fā)的是搭載Mac系統(tǒng)的蘋(píng)果電腦。因?yàn)椴涣?xí)慣用Mac系統(tǒng),其工作效率就會(huì)受到影響,不過(guò)好在Mac系統(tǒng)使用的人群也很多,遇到問(wèn)題可以上網(wǎng)查詢(xún)。

  但如果單位配發(fā)的電腦搭載的是一種小眾的自研系統(tǒng),那對(duì)于畢業(yè)生來(lái)說(shuō)麻煩就很大了。相關(guān)資料查不到,只能聯(lián)系開(kāi)發(fā)商,結(jié)果就是效率極低。

  對(duì)于用習(xí)慣Windows電腦的人,如果想勸他用蘋(píng)果就已經(jīng)很難了,更何況還要?jiǎng)袼眯”姷淖匝邢到y(tǒng)。這就是現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)FPGA推廣很難的原因。

  總體來(lái)說(shuō),由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)的FPGA工程師(使用者)都習(xí)慣于使用Xilinx或是英特爾的FPGA產(chǎn)品,如果要從Xilinx的 FPGA 轉(zhuǎn)換為國(guó)產(chǎn)FPGA 會(huì)具有一定的轉(zhuǎn)換成本。因此國(guó)產(chǎn)FPGA市場(chǎng)占有率的快速提升是十分困難的。

  在一些分析文章和報(bào)告中將安路科技稱(chēng)為龍頭企業(yè),并指出安路科技在國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商中排名第一。那么安路科技真的是國(guó)產(chǎn)第一以及龍頭企業(yè)嗎?

  安路科技在其招股書(shū)中提到了兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù),2019年在中國(guó)市場(chǎng)以出貨量口徑統(tǒng)計(jì),安路科技出貨量第四,占據(jù)了6.0%的市場(chǎng)份額。以銷(xiāo)售額口徑統(tǒng)計(jì),安路科技的銷(xiāo)售額排名第四,占據(jù)了0.9%的市場(chǎng)份額。

  從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果上看,排名前三的都是美國(guó)企業(yè),所以安路科技是國(guó)產(chǎn)第一并沒(méi)有什么問(wèn)題。但這里值得注意的是,除去前三家,剩下的市場(chǎng)份額僅有3.7%,而安路科技占了0.9%,排名第一。所以放眼整個(gè)市場(chǎng),安路科技的市場(chǎng)占有率其實(shí)是非常低的。

  另外對(duì)于FPGA產(chǎn)品,在目前市場(chǎng)上產(chǎn)品跨度過(guò)大的情況下,其實(shí)不應(yīng)該用出貨量來(lái)進(jìn)行評(píng)估。畢竟賣(mài)出一塊55nm的芯片和賣(mài)出一塊7nm的芯片意義是完全不同的,如果以出貨量進(jìn)行評(píng)估的話(huà)對(duì)于技術(shù)不太先進(jìn)的企業(yè)是有明顯優(yōu)勢(shì)的。

  以安路科技為例,其FPGA產(chǎn)品覆蓋28nm-55nm的工藝制程,而與之對(duì)標(biāo)的國(guó)際大廠(chǎng)產(chǎn)品大多發(fā)布于10年前。比如英特爾的Stratix V系列FPGA芯片采用28nm工藝,發(fā)布于2010年。安路科技如果以出貨量進(jìn)行評(píng)估,則其市場(chǎng)份額就能從0.9%(以銷(xiāo)售額統(tǒng)計(jì))提高到6%。

  同樣,排名第三的Lattice雖然其高端型號(hào)FPGA仍停留在28nm工藝制程,但如果以出貨量進(jìn)行評(píng)估,其市場(chǎng)份額就能從5.2%(以銷(xiāo)售額統(tǒng)計(jì))提高到23.2%。這種更換統(tǒng)計(jì)方式獲得的市場(chǎng)份額提升的確是立竿見(jiàn)影的。

  關(guān)于是不是龍頭企業(yè),最直接的方法就是看相關(guān)市場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)品的認(rèn)可度。具體到FPGA這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō),我們可以看FPGA工程師的招聘需求。

  在安路科技官網(wǎng)上,無(wú)論是校招還是社招,只要是與FPGA有關(guān)的崗位都有這樣一條要求:“熟悉Xilinx或者Altera等公司器件,了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本IP”其中Xilinx市場(chǎng)占有率第一,Altera(英特爾 FPGA)市場(chǎng)占有率第二。那么至少在安路科技自己看來(lái),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上FPGA行業(yè)的龍頭是Xilinx與英特爾這兩家。

  當(dāng)然除了市占率和產(chǎn)品市場(chǎng)認(rèn)可度,我們還可以從技術(shù)水平和凈利潤(rùn)去分析安路科技。

  目前安路科技最高端的FPGA芯片為PHOENIX1,采用28nm工藝,于2021年開(kāi)始批量供貨。

  安路科技在其招股書(shū)中將該系列芯片與Xilinx的28nm芯片Artix-7 XC7A100T進(jìn)行對(duì)比,紙面數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果可以說(shuō)是旗鼓相當(dāng)或者小勝一籌。

  第一、此次參與對(duì)比的Artix-7 XC7A100T發(fā)布于2012年(甚至更早之前)。

  第二、此次參與對(duì)比的Xilinx Artix-7系列芯片定位為低價(jià)格、低功耗。其官網(wǎng)上的宣傳視頻將其稱(chēng)為“低端器件中性能最佳的收發(fā)器”,也就是說(shuō)該系列產(chǎn)品屬于低端定位。而與之對(duì)比的則是安路科技的最新的旗艦芯片。

  注:以上僅為Xilinx 28nm產(chǎn)品線(xiàn)的部分型號(hào)(更為先進(jìn)的20nm、16nm、7nm工藝產(chǎn)品不在其中)

  第三、即使真的要去“偷襲”Xilinx 9年前的老產(chǎn)品中的低端系列芯片,他在招股書(shū)中對(duì)比的也只是這個(gè)低端型號(hào)中的第二名XC7A100T。在上面的文檔中我們可以發(fā)現(xiàn),在9年前發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品時(shí),該系列的最強(qiáng)芯片型號(hào)為XC7A200T,如果用這個(gè)型號(hào)的芯片與安路科技現(xiàn)在的旗艦芯片對(duì)比的話(huà),結(jié)果如下:

  也就是說(shuō),如果將安路科技現(xiàn)在的旗艦芯片與Xilinx 9年前低端系列中的第一對(duì)比,相關(guān)指標(biāo)大致為對(duì)方的一半。

  在招股書(shū)中,安路科技將PHOENIX系列芯片定位為面向高性能可編程邏輯市場(chǎng)。那么我們不妨從將這款芯片與Xilinx 9年前的高端芯片進(jìn)行一下對(duì)比,本次我們選擇的對(duì)手是XC7VX1140T,同樣是發(fā)布于2012年(甚至更早之前),同樣是28nm。

  從對(duì)比中我們可以看出,XC7VX1140T的等效LUT數(shù)量大約為安路科技PH1A100的8.9倍,DSP 數(shù)量大約為后者的15.85倍,User IO 數(shù)量大約為后者的3.53倍。由此可見(jiàn),安路科技目前的FPGA產(chǎn)品與9年前國(guó)際大廠(chǎng)的產(chǎn)品之間尚有差距。

  在很多文章中,我們可以看到這樣的數(shù)據(jù)對(duì)比。這類(lèi)對(duì)比采用工藝制程和門(mén)級(jí)規(guī)模來(lái)比較不同F(xiàn)PGA廠(chǎng)商間的技術(shù)實(shí)力。在這樣的對(duì)比下,復(fù)旦微電和紫光同創(chuàng)的FPGA產(chǎn)品看似比安路科技先進(jìn)了很多。但采用門(mén)級(jí)規(guī)模進(jìn)行對(duì)比,嚴(yán)謹(jǐn)性其實(shí)很差。

  門(mén)級(jí)數(shù)量其實(shí)是ASIC芯片的容量指標(biāo)。在FPGA芯片發(fā)展早期,部分FPGA廠(chǎng)商為更好的進(jìn)行推廣宣傳,讓客戶(hù)更加了解FPGA芯片的性能,為客戶(hù)提供等效邏輯門(mén)數(shù)指標(biāo)方便與ASIC芯片進(jìn)行對(duì)比。但FPGA芯片的LUT單元如何等效轉(zhuǎn)換為邏輯門(mén),在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法。

  在Xilinx關(guān)于XC5000系列產(chǎn)品的技術(shù)文檔中,有著這樣的換算方法:

  一個(gè)logic cell(包含一個(gè)4輸入LUT和一個(gè)寄存器)可以等效成8-21個(gè)門(mén),典型值是12個(gè)門(mén)。

  當(dāng)我們假設(shè)一個(gè)符合該標(biāo)準(zhǔn)的FPGA芯片,它有500萬(wàn)個(gè)logic cell,那么這時(shí)候我們我們可以算出,它的等效門(mén)數(shù)量為4000萬(wàn)-1.05億。也就是說(shuō)廠(chǎng)商在宣傳這個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候,可以將這個(gè)FPGA芯片稱(chēng)為千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA(4000萬(wàn)),也可以稱(chēng)為億門(mén)級(jí)FPGA(1.05億),而且這兩種說(shuō)法都有相關(guān)技術(shù)文檔的支持。

  另外這還只是討論同一廠(chǎng)商同一系列器件的差距,不同廠(chǎng)商之間換算成門(mén)數(shù)量的差距還會(huì)更大。這就像如果對(duì)比兩個(gè)人的收入,一個(gè)人是月薪3000元人民幣,另一個(gè)人是月薪3000美元,然后在統(tǒng)計(jì)的時(shí)候兩個(gè)人都算“千元級(jí)收入”,所以?xún)蓚(gè)人收入大致等同。這樣對(duì)比的結(jié)論肯定是不準(zhǔn)確的。

  由于等效邏輯門(mén)數(shù)量的計(jì)算方法缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),在2000年后,國(guó)際FPGA廠(chǎng)商開(kāi)始逐漸停止提供等效邏輯門(mén)指標(biāo),只采用基于LUT的邏輯單元數(shù)量作為最基本容量指標(biāo)。但由于不同F(xiàn)PGA芯片公司或同一公司不同系列的芯片中使用的LUT規(guī)格也不盡相同,為了具有可比性,通常都將LUT規(guī)格等效成四輸入查找表,即LUT4的數(shù)量來(lái)統(tǒng)計(jì)。在前文中所采用的對(duì)比數(shù)據(jù)就是等效LUT數(shù)量即指等效為L(zhǎng)UT4的邏輯單元數(shù)量,國(guó)際FPGA廠(chǎng)商在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常通過(guò)System Logic Cells、Logic Elements或Density LUTs等不同名詞指代。

  在此對(duì)比中我們可以發(fā)現(xiàn),紫光同創(chuàng)的FPGA規(guī)模略強(qiáng)于安路科技,但兩家處于大致一個(gè)水平上,而復(fù)旦微電的FPGA規(guī)模則明顯比這兩家大很多。

  根據(jù)招股書(shū)上的信息,利潤(rùn)總額為正的年度只有2019年,且當(dāng)年收到的政府補(bǔ)助也是近幾年最高的。

  而導(dǎo)致凈利潤(rùn)低的原因一般有兩個(gè);要不是賣(mài)得少(市場(chǎng)占有率低,總營(yíng)收低),要不是毛利率低。而安路科技這兩點(diǎn)都有。

  市場(chǎng)占有率低的問(wèn)題前文已經(jīng)提到了,而且由于轉(zhuǎn)換成本的問(wèn)題,市場(chǎng)占有率的快速提升是十分困難的。

  毛利率方面,安路科技毛利率普遍在35%左右,而市面上其它FPGA企業(yè)毛利率普遍在60%左右,差距十分明顯。

  一些分析文章中指出安路科技高性能系列FPGA PHOENIX從2020年至2021年6月銷(xiāo)量大漲,并據(jù)此推斷PHOENIX系列FPGA產(chǎn)品已大獲市場(chǎng)認(rèn)可,但筆者認(rèn)為這樣的推斷是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

  眾所周知,2021年是“缺芯”的一年,很多芯片產(chǎn)品都在漲價(jià),F(xiàn)PGA也不例外。例如安路科技的ELF系列FPGA,平均單價(jià)由12.23元漲到了13.84元。EAGLE系列的平均單價(jià)由15.56元漲到了15.96元。而其高性能系列PHOENIX平均單價(jià)由197.98元降到了157.42元,降價(jià)幅度高達(dá)20%。

  安路科技這樣調(diào)整售價(jià)的理由也很簡(jiǎn)單,就是為了開(kāi)拓市場(chǎng)。但這樣做的代價(jià)也很明顯,會(huì)拉低毛利率。

  在2020年,PHOENIX系列的毛利率為52.39%。而在2021年,即使是在提升晶圓良率、降低成本的基礎(chǔ)上,毛利率還是被拉低到47.58%。

  由于FPGA單價(jià)固定,規(guī);褂貌⒉荒芙档蛦蝹(gè)成本。這點(diǎn)和ASIC芯片有著很大的區(qū)別,ASIC芯片一旦規(guī);a(chǎn),邊際成本可以降低。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),F(xiàn)PGA方案就像零售市場(chǎng),而ASIC就像批發(fā)市場(chǎng)。零售市場(chǎng)不管買(mǎi)多少,單價(jià)都是一樣的。而批發(fā)市場(chǎng)只要買(mǎi)的多,單價(jià)可以談。但批發(fā)市場(chǎng)的缺點(diǎn)就在于需要一定的購(gòu)買(mǎi)量,也就是“流片”這個(gè)門(mén)檻。

  除了成本上的差距,性能方面的差距更要命。同樣的設(shè)計(jì),F(xiàn)PGA方案比起同等工藝水平的ASIC方案,性能差太多。(參考值:5-25倍)在這個(gè)追求“大算力”的時(shí)代,一個(gè)芯片產(chǎn)品價(jià)格貴是可以接受的,但如果性能差,那就是原罪了。所以在“走量”這個(gè)場(chǎng)景下,F(xiàn)PGA相比ASIC就是價(jià)格貴而且性能還差,因此在這個(gè)場(chǎng)景下完全是被ASIC芯片摁著打的狀態(tài)。

  業(yè)界內(nèi)也有著這樣的經(jīng)驗(yàn):當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)如果用量足夠大或者生命周期達(dá)到3年以上,就應(yīng)該考慮ASIC方案。

  不管是芯片設(shè)計(jì)還是電子的產(chǎn)品設(shè)計(jì),一般都不會(huì)一上來(lái)就大批量生產(chǎn),而是會(huì)先出幾個(gè)測(cè)試版試試水。這種“試水”的產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)一般叫“工程測(cè)試版”或者“工程樣機(jī)”這樣的名字。

  以數(shù)字芯片為例,數(shù)字芯片的前端設(shè)計(jì)是使用專(zhuān)門(mén)的硬件描述語(yǔ)言(Verilog或VHDL),對(duì)具體的電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行RTL(Register Transfer Level)級(jí)別的代碼描述。而FPGA用的也是Verilog或VHDL,因此數(shù)字芯片的前端設(shè)計(jì)可以放到FPGA中進(jìn)行驗(yàn)證。這一驗(yàn)證方式稱(chēng)為原型驗(yàn)證,可以通俗理解為芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中的試水。

  在進(jìn)行完原型驗(yàn)證之后,一般的ASIC廠(chǎng)商就會(huì)進(jìn)行后端設(shè)計(jì)、流片等操作。但這里進(jìn)行原型驗(yàn)證的FPGA已經(jīng)具備了所設(shè)計(jì)的功能(雖然性能上是被的),那么這個(gè)FPGA就可以作為商品出售了。所以有些小廠(chǎng)商路就走到這里就結(jié)束了,畢竟沒(méi)錢(qián)流片,干脆就不流片了。買(mǎi)FPGA芯片,刷上自己設(shè)計(jì)的功能,之后作為商品出售,這就是普通FPGA設(shè)計(jì)公司的工作流程了。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于相關(guān)產(chǎn)品可以快速上市,開(kāi)發(fā)周期相比ASIC短,而且產(chǎn)品上市之后還可以進(jìn)行修正更新。

  正因?yàn)檫@樣的特性,F(xiàn)PGA也可以進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)的試水。比如像現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心所用的IPU、DPU。在一開(kāi)始可能會(huì)用FPGA方案來(lái)做,而在市場(chǎng)成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)確立之后,ASIC方案的IPU、DPU就會(huì)崛起。如果該類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)不成熟,相應(yīng)的FPGA資產(chǎn)也可以轉(zhuǎn)移到其它用途上。所以用FPGA方案試水一個(gè)特定產(chǎn)品,一般不會(huì)太虧,而如果是ASIC方案,最后做出的產(chǎn)品市場(chǎng)不認(rèn)可,流片的費(fèi)用就全打水漂了。

  由于FPGA上市快、后期可修改的特點(diǎn),像自動(dòng)駕駛、人工智能、元宇宙等新領(lǐng)域出現(xiàn)時(shí),F(xiàn)PGA市場(chǎng)會(huì)迎來(lái)短暫的火熱。特別是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未確立的時(shí)候,各種FPGA方案的芯片會(huì)大量涌出。但在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確立之后,相關(guān)芯片開(kāi)始“走量”的時(shí)候,ASIC方案則會(huì)取代FPGA方案。

  無(wú)論是從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上還是應(yīng)用場(chǎng)景上分析,F(xiàn)PGA都屬于“小眾賽道”。而目前這“小眾賽道”上的利潤(rùn)還都在幾個(gè)美國(guó)廠(chǎng)商嘴里。國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商在技術(shù)上普遍落后于大廠(chǎng)10年以上。為了追趕,勢(shì)必要投入高額的研發(fā)費(fèi)用。即使以樂(lè)觀(guān)的心態(tài)假設(shè),投入高額的研發(fā)費(fèi)用后,技術(shù)上追趕上了國(guó)際大廠(chǎng)。那么得到的是什么呢?小眾賽道的利潤(rùn)。行業(yè)利潤(rùn)不足其實(shí)才是阻礙國(guó)產(chǎn)FPGA發(fā)展的最大問(wèn)題。

  什么算是FPGA?這不是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,而是一個(gè)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。以英特爾的至強(qiáng)金牌6138P處理器為例,看著像CPU,實(shí)際上主要成分也是CPU。但它帶了FPGA功能,所以你要硬把它算作FPGA產(chǎn)品也不是不行。但問(wèn)題來(lái)了,當(dāng)廠(chǎng)商賣(mài)出一塊6138P時(shí),營(yíng)收到底算CPU的還是FPGA的?

  當(dāng)然這算一種極端情況,畢竟以6138P的實(shí)際情況來(lái)看,主體部分是由CPU構(gòu)成的,所以營(yíng)收應(yīng)該算CPU的。但事實(shí)上,現(xiàn)在很多FPGA產(chǎn)品為了提升性能,往往都會(huì)附帶一個(gè)ARM CPU。而ARM CPU顯然不是FPGA。而這類(lèi)產(chǎn)品在統(tǒng)計(jì)時(shí),往往會(huì)將整個(gè)產(chǎn)品都算作FPGA。換言之,目前FPGA市場(chǎng)規(guī)模的數(shù)據(jù)中有一部分是由像ARM CPU這種非FPGA芯片貢獻(xiàn)的。

  但這對(duì)于國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商就會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題,就是評(píng)估其市場(chǎng)規(guī)模時(shí)虛高。目前國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商的產(chǎn)品大多偏向于“純FPGA”,而“純FPGA”的市場(chǎng)規(guī)模是要小于FPGA的市場(chǎng)規(guī)模的。

  6.對(duì)于國(guó)產(chǎn)替代化策略來(lái)說(shuō),F(xiàn)PGA無(wú)疑是一種非常重要的芯片。如果少了FPGA甚至?xí)绊懙狡渌麬SIC芯片的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。但從市場(chǎng)規(guī)模和利潤(rùn)來(lái)看,F(xiàn)PGA明顯屬于芯片領(lǐng)域中的“小蛋糕”。國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商在花費(fèi)了高額的研發(fā)費(fèi)用后,未來(lái)能否賺到足夠的利潤(rùn)是存疑的。

,國(guó)產(chǎn)FPGA芯片的窘境
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