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[转载-Cayden推荐-好文章]【国产替代】国产FPGA当自强！聊聊FPGA国产替代需要考虑的因素

作者：小小林熬夜学编程 | 2024-03-26 11:44:29

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[转载-Cayden推荐-好文章]【国产替代】国产FPGA当自强！聊聊FPGA国产替代需要考虑的因素

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个人思考：20220827

我一直都想将公司的非关键信号电路板，使用国产FPGA尝试替换，但是对国产FPGA不了解，只知道几个品牌，紫光、高云、上海复旦微等，看了作者的文章后，才知道，编译环境也是不一样的，国内还没有统一的EDA工具，每家公司都有自己的独有软件，期待未来软件的整合和统一，方便工程师更换不同厂商芯片。

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【国产替代】国产FPGA当自强！聊聊FPGA国产替代需要考虑的因素

我看了各位大佬分享的文章，很多都是资深的工程师总结的经验，以及工作多年的感悟和体会，让我这个后生受益匪浅！本文文章，我来分享另一种可编程芯片的国产替代感悟——FPGA。
正好最近公司在进行国产化方案的准备工作，正在做市场的调研，也约了国内几家FPGA厂商的市场工程师来交流。
关于FPGA，我算是半路出家，毕业后做了一年左右的MCU开发，后来由于项目需要接触到FPGA开发，之后就一直做FPGA相关的工作，其实我真正使用FPGA的时间也不过短短4年。本文以一个FPGA新手的角度来随便聊聊目前国内FPGA发展到了什么水平？都有哪些做得比较好的公司？FPGA国产替代所需要考虑哪些因素？
部分内容核数据参考自网络和官方网站，有不对或不准确的地方，希望能和各位大佬一起探讨、学习。
 
FPGA，万能芯片！以其强大的并行计算能力、功能灵活可定制等优点，被广泛应用于通信、医疗、电力、军工等高速、大数据量的领域，以及IC和ASIC设计前期原型验证系统。
自1985年由Xilinx的创始人之一Ross Freeman发明之后，全球90%的FPGA市场一直被国外厂家所占有。
FPGA的市场前景极其诱人，同时门槛也在芯片行业无出其右。自FPGA被发明以来，全球约有60多家公司斥资数十亿美元，前赴后继的尝试FPGA这块高地，其中不乏Intel、IBM、TI、Motorola、Philips、TOSHIBA、SAMSUNG这样的行业巨鳄，但是最终登顶成功的只有位于美国硅谷的四家公司：Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前两家公司占据了全球近90%的市场份额，同时也拥有着FPGA领域绝大多数专利，形成了高不可攀的技术壁垒。
由于疫情席卷全球，FPGA芯片生产上下游企业都受到了影响，导致FPGA芯片价格上涨的非常高，一些用量比较大的中低端FPGA产品的价格是原来的几十倍，而且是处于有价无市的状态！一些高端、高性能的FPGA芯片价格反而不那么贵，果然还是市场决定价格！
有哪些国产FPGA厂商
虽然FPGA芯片行业有极高的技术壁垒，但我国一直没有停止对FPGA技术的探索，从逆向设计到自主研发，从军工领域到市场广阔的工业、民用领域。
目前主流的FPGA厂商主要有以下几家公司，产品基本应用于通信、工业、军工、消费电子领域。
1.紫光同创（深圳）

 紫光同创的FPGA产品分为3大系列：Titan、Logos和Compa系列。

  • Titan系列
高速、高性能。Titan系列是中国第一款国产自主产权千万门级高性能FPGA产品，174K等效LUT4单元，最高频率500MHz，5.0Gbps SERDES接口，800Mbps DDR3和LVDS，PCIe Gen2x4，适用于通信网络、信息安全、数据中心、工业控制等领域。
  • Logos系列
高性价比。全新LUT5结构，集成RAM、DSP、ADC、SERDES、DDR3等丰富的片上资源，支持多种标准IO，LVDS、MIPI接口等，广泛应用于工业控制、通信、消费类等领域，是大批量、成本敏感型项目的理想选择。
  • Compact系列
CPLD产品，低功耗、低成本。Compa系列CPLD产品，低功耗、低成本、小尺寸，支持MIPI、LVDS、I2C、SPI、OSC、RAM、PLL等，用户IO高达383个，支持3.3/2.5V内核、或1.2V低电压内核，适用于系统配置、接口扩展和桥接、板级电源管理、上电时序管理、传感器融合等应用需求。
紫光同创的FPGA产品软硬件生态比较好，芯片文档手册、评估板与下载器、EDA软件与License、IP核资源、线下培训、大学计划、比赛赞助等等做得都很不错。
 
下图为紫光同创和黑金动力社区联合出品的开发板：

 

2.安路科技（上海）
FPGA共有两大系列：SALEAGLE和SALELF系列
  • SALEAGLE系列
分为两个产品型号：EG4和AL3。

EG4：19600个 LUT，55nm工艺，静态功耗最低5.5mA，DSP、BRAM、高速差分IO，用户IO数量71到193个，片上8位ADC，1M采样率，8通道输入。
AL3：8640个 LUT，65nm工艺，静态功耗最低4mA，用户IO数量从60到184个，丰富的DSP、BRAM、高速差分IO等资源，强大的引脚兼容替换性能。
  • SALELF系列
小精灵系列FPGA，共有3代产品，单芯片方案，即时启动，无需要外部Flash，支持OTP模式，55nm工艺，部分产品型号内嵌硬核MCU。

 

安路科技还自主研发了FPGA集成开发环境——TangDynasty(TD)，支持标准的设计输入方式，完整的电路优化流程以及丰富的分析与调试工具，并提供良好的第三方设计验证工具接口，为所有基于安路科技FPGA产品的应用设计提供有力支持。
3.高云半导体（广州）
FPGA产品主要有两个系列：晨曦系列和小蜜蜂系列。

 

  • 晨熙系列
55nm SRAM工艺，具有高性能的 DSP 资源，高速 LVDS 接口以及丰富的 B-SRAM 存储器资源，适用于高速低成本的应用场合。
  • 小蜜蜂家族
低功耗、低成本、瞬时启动、高安全性的非易失性可编辑逻辑器件。包括SoC产品和非SoC产品，SoC产品内嵌 ARM Cortex-M3硬核处理器，GW1NS系列产品内嵌 USB2.0 PHY、用户闪存以及 ADC 转换器。
SoC产品实现了可编程逻辑器件和嵌入式处理器的无缝连接，兼容多种外围器件标准，可大幅降低用户成本，可广 泛应用于工业控制、通信、物联网、伺服驱动、消费等多个领域。
GW1NRF系列蓝牙 FPGA器件，以 32 位硬核微处理器为核心，支持蓝牙 5.0 低功耗射频功能，具有丰富的逻辑单元、内嵌 B-SRAM 和 DSP 资源，IO 资源丰富，系统内部有电源管理模块和安全加密模块。
4.复旦微（上海）
复旦微是国内FPGA领域技术较为领先的公司之一，目前已可提供千万门级FPGA芯片、亿门级FPGA芯片以及嵌入式可编程器件（PSoC）共三个系列的产品。复旦微的亿门级FPGA芯片，基于28nm工艺制程，采用业内先进的CMOS工艺，是国内最早研制成功的亿门级FPGA芯片，且目前已经实现了量产销售。
复旦微于2019年推出自主研发致力于完整可编程器件开发流程的工具软件Procise，是国内FPGA领域首款超大规模全流程EDA设计工具，其界面友好、功能强大且简单易用，但由于推出时间较赛灵思的Vivado晚，版本迭代次数相对较少，开发工具各项功能及可用IP库还需进一步完善。
公司也在积极开发新一代14/16nm工艺制程10亿门级产品的开发，同时结合CPU、AI技术，在国内率先开发PSoC芯片，拓展新的战场，保持公司在国产FPGA技术上的领先地位。
但相比行业龙头赛灵思截至2021年4月的营收31.48亿美元，公司2020营收仅为1.53亿元，在经营规模上仍有较大差距。
下图是基于复旦微FMQL45T900芯片的开发板，可替代Xilinx ZYNQ FPGA 7045，集成FPGA和四核ARM Cortex-A7。

 

5.智多晶（西安）
共分为3个系列：Seagull 1000，Seagull 2000和Seagull 5000系列。

 

  • Seagull 1000系列
64、128、256逻辑单元可选，0.162um工艺，最大频率Fmax=322MHz  
  • Seagull 2000系列
5K、12K、25K逻辑单元可选，低功耗55nm工艺，内置硬核DSP，内置 Flash，LVDS最高发送速率可达840Mbps，接收速率可达875Mbps，支持400Mbps DDR2 SDRAM接口，支持MIPI，接口速率高达1.2Gbps，支持常见的LVDS、LVCMOS、LVTTL等IO标准。
  • Seagull 5000系列
30K 至 325K 逻辑单元的器件，多达 500 个用户IO，LUT6结构，先进 28nm 铜 CMOS 工艺，最大频率500MHz，硬件乘法器，LVDS 接口高达 1.6 Gbps，嵌入式硬核ARM、ADC、DDR2/3控制器。
6.京微齐力（北京）
共分为：HME-R（河）、HME-M（华山）、HME-P（飞马）和HME-H（大力神）4个系列。目前已经全面实现65/55/40nm量产，2022年开始22nm规模量产。
  • HME-R系列
低功耗、高性价比，40nm工艺，LUT4结构，逻辑容量为1-3K，主要面向低功耗应用领域，内嵌存储器，最小支持1.5mmx1.5mm封装。
  • HME-H系列
集成ARM Cortex-M3硬核控制器和高性能FPGA，ARM核最大时钟300MHz，逻辑性能最大200MHz，硬核形式整合以太网、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外设，能够满足不同应用场合的“可定制可重构可编程”设计需求，实现了FPGA的SoC化。
  • HME-P系列
TSMC 40nm CMOS工艺，全新的LUT6结构，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市场。
  • HME-H系列
集成高性能FPGA、增强型MCU和MIPI接口的智能型视频桥接器件，增强型8051 MCU，内嵌DSP单元，主要面向视频处理领域，可广泛应用于手机、平板、可穿戴、VR、AR、无人机和智能家居等市场。
FX-伏羲软件是京微齐力自主研发的一款EDA软件，可以进行FPGA和SoC应用设计，还可以支持其他常用的第三方设计工具进行协同设计。友好的图形化用户界面，丰富的IP，支持命令行操作，支持远程下载编程，比特率加密，片上调试等等。
国内的FPGA厂商还处于发展期，市场占有率和营收规模还比较有限，但是可以说是国家的希望和未来。
国产替代需要考虑的因素
对于国内这么大的FPGA市场，如果要进行FPGA国产化方案替代，以下几个因素是需要考虑的：
1.工艺制程、门级规模、SerDes速率
这3个参数，也是衡量FPGA基本性能的重要指标，工艺制程直接影响芯片的功耗、性能和成本，如果功耗过大，那么在硬件设计时就需要考虑电源的功率和散热问题。制程同样也影响着门级规模，越高的制程工艺，那么在同样面积大小的晶圆上就可以做出更大规模的门级电路，当然也具有更大的设计空间。SerDes的传输速率，则影响FPGA在进行高速数据传输、处理时的性能。
以市场占有率较高的Xilinx为例，最新的UltraSCALE+系列FPGA芯片的制程工艺已经达到了16nm，而国产FPGA厂商的大多产品还是28nm工艺。
2.可靠性、稳定性和一致性
FPGA通常应用在一些需要高速、实时处理的场景，可靠性、稳定性极为重要。芯片在不同温度、湿度、震动、盐雾等环境下的性能表现？芯片的寿命能使用多久？每颗芯片的性能参数是否在一定范围内保持一致？这些都是需要在进行国产化替代时，需要考虑的问题。
3.兼容芯片的兼容性和知识产权问题
国产FPGA是从逆向设计转到自主研发的，有的国内FPGA厂商提供有完全兼容Xilinx、Altera部分型号的FPGA芯片，对于这类产品，需要考虑FPGA硬件和软件的兼容性。
硬件方面，是Pin对Pin兼容，可以无需修改电路直接替换，还是需要做一些改动，比如高速接口的阻抗匹配、走线长度等等。
软件方面，需要考虑开发工具的兼容性，比如FPGA开发、调试、下载工具，MCU开发工具，IP核和RTL级代码、原语的兼容性等等，是否需要在原来的开发环境基础上安装额外的补丁包来适配。
另外，如果你的产品需要出口到国外地区进行销售，使用兼容型号的FPGA芯片，可能会涉及到知识产权问题，要和芯片厂商沟通确认。
4.自研芯片的生态
如果是完全自主研发的FPGA芯片，需要考虑芯片的生态，包括开发图形化EDA开发工具的使用，对第三方工具的支持，如Modelsim，是否支持Verilog/VHDL混合编程，提供的IP核的丰富程度，开发板，芯片手册/应用文档等。
5.性价比、货源
芯片的性价比是极为重要的一个因素，相比于Xilinx和Altera，如果同等性能的芯片，国产FPGA芯片有价格优势，我相信很多用户会选择进行国产替代。
从设计角度来考虑，还需要看这款芯片的电源要求、外围电路、阻抗走线、封装等是否是常用的设计要求。
从供应链角度，需要考虑这款芯片的供货稳定性、供货周期等多个因素。
总结
相比于Xilinx、Altera等FPGA巨头，国内FPGA研发起步较晚，但差距在逐渐缩小，和头部厂商的差距已经由三代缩短到两代。在当前国家对芯片行业的大力支持下，以及FPGA在5G和AI领域的广泛应用，这些现状对于国产FPGA厂商来说，是一个难得的机遇。
国产FPGA任重而道远，每一个为此努力的人都值得尊敬！
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