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Xilinx芯片太贵,我选择国产替代!聊聊国产FPGA芯片选型

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发表于 2022-5-7 16:35:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
Xilinx芯片太贵,我选择国产替代!聊聊国产FPGA芯片选型

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]以下文章来源于电子电路开发学习 ,作者wcc149
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电子电路开发学习.
[color=rgba(0, 0, 0, 0.5)]精通STM32、FPGA实现流水灯,程序下载与擦除,IDE安装与卸载。 分享开源项目、板卡评测、学习笔记相关文章。 可能不会经常更新,但每一篇都是精心编写。



最近公司在进行FPGA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,然后学习了FPGA,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。本文来聊聊目前国内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?
部分内容和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) 640?wx_fmt=jpeg.jpg 紫光同创的FPGA产品分为3大系列:Titan、Logos和Compa系列 640?wx_fmt=jpeg.jpg
  • 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: 640?wx_fmt=jpeg.jpg 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。 640?wx_fmt=jpeg.jpg 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。 640?wx_fmt=png.jpg 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 640?wx_fmt=jpeg.jpg
  • 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。 640?wx_fmt=png.jpg 5.智多晶(西安)共分为3个系列:Seagull 1000,Seagull 2000和Seagull 5000系列 640?wx_fmt=jpeg.jpg
  • 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。 640?wx_fmt=jpeg.jpg 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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