国产FPGA跨入28nm，意味着什么？

半导体行业观察：近日紫光同创率先，打响了国产28nm FPGA的第一枪，这是一个好的开始，也是一个较正面的信号。为什么是28nm呢？...





近日紫光同创率先，打响了国产28nm FPGA的第一枪，这是一个好的开始，也是一个较正面的信号。为什么是28nm呢？从90nm、65nm、40nm、再到28nm，fpga可谓摩尔定律，最坚定不移的"执行者"。FPGA进入28nm制程之后，不仅功能与整合度，能超越传统fpga，最重要的是，产品性价比也进一步，逼近assp与asic。fpga突破了以往，功耗过高的问题，逐渐发展成为高性能、低功耗以及小尺寸的，代名词。这让过去一直为ASIC、assp等核心，处理器充当“配角”的FPGA登上舞台中央，越来越多的开发者对，fpga的青睐度骤升。

那么28nm对国产fpga究竟，意味着什么？我们能替代xilinx的，哪些级别的产品？何时能真正实现，国产fpga替代？今天我们就来聊聊，这些大家关注的问题。

撬开28nm FPGA的大门

谈到28nm，不得不从国外的两大fpga，巨头开始说起。其实早在2010年开始，国外的altera和xilinx，就开始了28nm之战。2011年，这两大巨头，同时发布了采用最新一代，28nm工艺的fpga工程样片。自此，FPGA正式进入28nm时代。截止到目前为止，xilinx的28nm产品仍然被全球，很多客户使用。据推断，28nm FPGA产品至少有7-8年以上的生命周期。

而另一家fpga巨头lattice公司直到2019年12月推出，了业界首款28nm基于fd-SOI的FPGA平台—Nexus平台，nexus平台提供的第一个产品，是crosslink-NX，它有两个版本，分别是17k逻辑单元和(单元和，)40k逻辑单元。

被microsemi收购的actel也于，2019年推出了28nm的全flash工艺fpga，密度覆盖10K-500K LUTs左右产品，属于中高端产品。不过其产品相对较贵，新产品的推广在当前，国产化大潮下可能不易。

国内方面大部分企业已，开始了28nm的研发。紫光同创是国内，第一家推出28nm FPGA芯片的厂商，其Logos-2系列产品pg2l100h，产品密度为100k，采用28nm CMOS工艺制程，相对于40nm工艺Logos-1系列FPGA性能提升50%，总功耗降低40%。这对国产fpga来说，是一个好的信号，但有专业人士分析到，这只是FPGA高端产品“万里长征”中的一小步，硬件本身的性能有待验证，软件和ip还有很，长的路要走。打个比方说，这个28nm 100k的产品就像制造出，了一张硬弓，至于能不打开这张弓，能不能射，射不射得准，还要看这个软件行不行。

除了紫光同创，安路和高云的28nm FPGA也都在研发中，预计2020年均，会发布样品，密度也是100K左右。而京微齐力预计将在明年推出，22nm的系列化产品。业内人士告诉半导体，行业观察记者，国内300k左右的产品，预计都要在2021年-2022年发布。

关于28nm的发展情况，京微齐力ceo王海力，(王海力)表示：“按照28nm系列化fpga产品上市，的时间来看，国内fpga厂商与国外，相比时间差大约为10年。但是世界上第三大fpga厂商美国lattice，也是2019年年底才发布全新的28nm产品。因此28nm工艺对于fpga，厂商而言，还是一个有“价值空间”的工艺布局。”

随着国内fpga厂商全面进入28nm千万门，级产品的研发，意味着中国fpga厂商已经开始真正进入，与美国xilinx和intel的直面竞争阶段。那么我们离实现国产替代，究竟有多远？

就目前而言，要真正实现国产，替代仍任重道远。业内专业人士指出，所有的国产fpga，替代国外品牌，都以密度（容量）为最基本单元，同等密度下其它资源均，会参考国外品牌的设定，一般其它资源相当或略，多一些。接下来我们就从正向设计和反向设计两大，方面来分析国产fpga替代的程度和时间节点的大致情况。

反向设计进展：可稳定量产Xilinx15-20年前的产品

首先来看反向设计，这是国产fpga，最早涉及的领域。反向设计是通过对芯片内部电路，的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面，的深入洞悉，可用来验证设计框架或者分析信息流，在技术上的问题，也可以助力新的，芯片设计或者产品设计方案。

反向设计的fpga主要是为军方，或航天服务，国内有几家反向据称可以做到v6，系列的一部分，去年也有厂商宣布推出，了k7-325T的反向芯片样品。

国内还有几家做，民用反向的，据业内知情人士透露，他们主要反向lattice早期，在军方用到的isplsi 1K/2K的产品，还有民用市场中小容量，的altera/Lattice的产品，240/570个LUT容量的CPLD，以及6K/10K LUTs级别的低端FPGA。据说目前也有推出16K/20K LUTs级别的反向芯片。但据闻有些做反向的团队，已经组建了fpga芯片，正向研发生产团队，慢慢开始正向设计。

总体来看，目前反向设计已经，可以稳定量产v2/V4级别 ，这相当于Xilinx 15-20年前的产品。低端fpga的反向设计主要集中在led市场，和小部分工控市场。

但反向设计的弊端也，比较明显的。除了知识产权的问题以外，随着工艺越来越先进，反向破解的难度越来越大，反向研究的成本，也越来越大。再就是反向设计的软件，相对粗暴，它直接用国外品牌的，开发软件，在调试过程中用到的仿真，时序分析，时序约束，在线调试等工具都，需用国外品牌的软件。国产的软件只提供最后，的比特流转换，少部分会用国外品牌软件，生成的网表文件重新布局布线。

反向设计的fpga也，因性能和稳定性的问题，在市场上有不少诟病，导致了很多企业对，国产芯片的再度不信任。所以fpga正向设计越来越，受到重视。

正向设计可圈可点：可全面替代Lattice以及部分Xilinx的产品

在正向设计领域，代表企业主要有紫光同创、京微齐力、高云半导体、上海安路。从最早开始做正向设计，的京微雅格开始算起（后重组为现在的京微齐力），经过近10年的努力，国产fpga厂商在低端，fpga产品，包括软件和生态上，国产fpga厂商都进展，不错。我们可以看到在led，显示、消费类等应用上国产fpga产品都，进行了规模应用。

据业内专业人士告诉半导体行业，观察记者，当前国产fpga仍然以，55nm或40nm为主，而且密度较小，只能覆盖和替换Xilinx Spartan 6/7的低半段产品，而密度在50k以上的，较高端产品量产时间均较长，主要是因为软硬件协同和硬件效能充分发挥需要，非常时间和项目积累。目前国产几家fpga厂商在，研的产品都是28nm级别产品，有望在2年内实现对，lattice产品替换的全覆盖，以及Xilinx/altera中低端产品，的全覆盖。

下面我们就将xilinx，和lattice 的产品系列拆分开，更深入的了解哪些产品，能实现覆盖。

首先看28nm产品的，覆盖情况。据王海力的分析，在28nm产品线中，Xilinx有低端Spartan-7系列（6K-100K，共6款芯片），高性价比Artix-7系列（12K-200K，共8款芯片），中高端Kintex-7（70K-480K，共7款芯片），高端Virtex-7（330K-2000K，共11款芯片），虽然同一系列里面有，一些die是相同的，但算下来也有20多颗独立，的fpga芯片，加上派生出不同封装，同时集成不同的接口（带Serdes或不带Serdes），其组合将达到上百款产品，供客户选择。

因此，在王海力看来，即使中国fpga厂商全部并，全面进入28nm产品研发和交付，也将花相当一段时间才能做到一定，规模的替代。中高端主流fpga产品的，竞争仍需大量资金和人力的投入，任重道远。

其次我们来看其不同系列，所对应的国产fpga情况，spartan系列是xilinx出货量，最大的产品系列，据了解，其Spartan 6系列预计还会供货，至2027年，Spartan 3/2/1代（没有4/5代）也还有在销售，但是量已非常少，大部分已停产。在性能上，Xilinx的Spartan 7性能稍强一点，国产同等资源fpga产品可以差不多，做到取代spartan 6。

紫光同创的28nm产品，的密度为100k，这可以覆盖Artix-7大部分的产品，但只够K7的入门级。

Xilinx的Zynq 7系列，可以理解为在a7，基础上加上arm 硬核，A7内核+ARM Cortex A9单核(766MHz)或双核(866MHz)，各有三个密度：23K/55K/65K, 以及28K/74K/85K。业内人士指出，目前国产fpga尚无，同类型产品面市，主要是因为ARM cpu软核的外设ip及软件，的开发量巨大，设计难度也大。几年内恐难有与xilinx，匹敌的产品和软件平台面市。

而virtex7及以上产品就，更遥不可及了，xilinx的virtex7及以上fpga的，产品工艺先进，主频非常高，内部资源丰富，是一个庞大的系统芯片，软件开发也非常复杂，十年内国产无法替代。

lattice曾经是，cpld的霸主，在低端fpga领域，也很有竞争力，据了解，10 K luts以下的fpga市场基本上都是，lattice的天下，其中他们的XO/XO2/xo3三个系列更是，这个市场当之无愧的霸主。在7K luts以下的低端fpga和，cpld市场，可以说lattice占据，了超过90%的市场。不过他们在高端fpga，方面进展并不顺利。

具体来看，lattice的中低端fpga系列，是ecp3/ECP5系列。ECP3主要是17K/35K/70K/95K/150K这5个密度，出货量大的还是17K/35K这两个级别。

lattice的第一款28nm的，产品密度在28k左右，主要是面向消费类和，视频类应用的市场。预估其后续推出的28nm产品，也是在100k LUTs以内的。而且lattice在过去几年，迎来了离职潮，大部分骨干人才流向了，紫光同创、高云半导体和上海安路等。业内人士分析指出，从现有产品产品，和技术来看，lattice基本是国产fpga，可以较快全部覆盖的。

业内资深人士还预测，国产fpga新产品开发到，2020年~2021年，将陆续进入28nm工艺，可取代A7大部分产品，少部分K7产品；2021年~2023年这个时间段将能够完全覆盖，a7的产品，进入K7 350K LUTs左右的级别；而到2023~2025年将完全覆盖K7，实现低端V7水平。

国产FPGA该如何发展？

根据制程技术，FPGA市场分为 90nm。由于不断发展的产品开发，和对该工艺技术的投资，预计在未来几年中> 28 nm的份额将实现，高速增长。半导体制造商更喜欢小尺寸，的节点，基于28 nm工艺技术的低端fpga，提供了最低的系统成本和功耗，并具有足以在多种应用，中替代高端fpga的性能水平。虽然28nm是fpga，的一大发展目标，但王海力认为，国内厂商也不应该一味地追求先进工艺，下fpga的布局，应该深入与客户交流他们对未来fpga，技术指标的需求，在某些关键技术指标上与xilinx相关，产品形成差异化设计，比如在同等逻辑规模，前提下，优化内核架构，提升接口速率，DDR性能，或集成一些专属，功能的ip、集成CPU/MCU内核等方面做文章。在封装上，面向客户需求，开发出更具性价比的，封装形式。

为了能够更好的追上国外，的先进水平，减少国内企业的竞争，打破国内FPGA芯片、软件系统平台的分散，更好的利用整体资源，王海力是这样认为的，第一，国内fpga企业避免同质化，产品竞争；第二，国内fpga产业链需进一步加大fpga和，eda人才培养力度，支持国产fpga大学，计划，鼓励开展设立国产fpga厂商，与高校科研院所联合实验室，对于核心基础技术进行，前期研发。第三，在国家部委指导下，协调FPGA“产学研用” 资源，集中优势力量，对fpga技术中共性，关键问题进行联合攻关。

行业从业人员也告诉笔者，对国产FPGA而言，软件是必须加强的一环。他指出，上文谈到的国产fpga，与国外巨头的替代，在不少产品上只体现了产品硬件，指标方面的覆盖。但在FPGA这个领域，你不但需要开发芯片，还需要为开发者开发软件，且整个过程非常复杂啊。在软件方面，包括开发软件的稳定性，效能，易用性等方面还需要很长时间的，积累和提高。而中高端产品的开发还，需要很多成熟的验证过的ip，这一直是国产fpga，的短板。另外，在SoC产品的开发方面，国产fpga也相对比较，落后。

“短时间来看，在产品方面，fpga厂商需要尽快往，高密度发展，但高密度需要大量资金以及，客户试用、试错；在市场方面，随着国产化大的趋势下，国内客户也广开绿灯，这对国产厂商来说，是一个很好的机遇，国内几家厂商在消费类、LED、工控市场要尽快有出货。”，知情人士强调。

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