紫光国微:5G关键芯片FPGA国内龙头FPGA——芯片产业最高殿堂之一,将成为国产替代的里程碑
FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)也被称为“万能芯片”,1985年由Xilinx创始人之一Ross Freeman发明,FPGA可以指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。
FPGA主要是在PAL(可编程逻辑阵列)、GAL(通用阵列逻辑)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等传统逻辑电路和门阵列的基础上发展起来,主要应用于专用集成电路领域,包括航空航天/国防、消费电子、工业、电子通讯等领域。一般而言,FPGA内部由可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)3个部分构成。
原理:FPGA原理是利用小型查找表来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块。
5G将带来FPGA的大量需求,基站建设近在咫尺,新终端持续接力
根据Market Research Future(MRFR)的报告,全球现场可编程门阵列(FPGA)2018年市场规模约为63.35亿美元,在2025年有望达到约125.21亿美元,年复合增长率10.22%。以中国为代表的亚太区域将成为FPGA的主要市场,2025年市场价值将达到近55亿美元。
在下游应用领域,通讯电子仍然占据了主要的市场份额,占比将在2025年达到40%左右,市场价值为44亿美元。5G通信无疑是通信电子领域主要的增长动力,包括5G通信基站、传输网及5G新终端的需求。另外,100G光通信井喷,100G~400G光设备商用提上日程,也将带来FPGA的需求大增。
在FPGA下游应用中,通信是最大的细分市场,产品包括4G/5G基站、SDN/NFV、OTN、xPON、CMTS、高端交换路由、媒体网关等产品,都需要使用大量可重复配置的FPGA芯片。我国的华为和中兴是美国FPGA四大巨头Xilinx(
赛灵思)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)最重要的战略客户,相互依存。四大巨头同样依赖于通信市场,全球四大通信通讯厂商合计占其收入的50%,唇齿相依。
在5G通信商用初期,FPGA芯片将会在RAN逻辑器件中占绝对地位。接入网设备将以专有设备为主,均有非标的专有协议及接口,因此使用专有芯片为主,FPGA与ASIC有替代关系。目前5G宏基站将有数块板子(如收发信、主控板等)都将使用FPGA,例如AAU中需要FPGA实现波束赋形等。同时由于Massiv MIMO通道数大幅增加,我们估计在商用初期,单基站使用FPGA将会达到10~14颗。另外,由于5G应用频段较高,5G基站数量有望达到4G的1.5倍。随着2022年后“5G下半场”毫米波技术成熟,小基站的数量规模有望达到千万级。因此FPGA的出货用量将较4G有较大弹性。
根据ITU(国际电信联盟)的愿景,5G的应用场景应划分为增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)和低时延高可靠通信(uRLLC)三类。同时,ITU在带宽、时延和覆盖范围等方面确立了5G的8项技术要求(表1)。5G需要满足的业务场景将远超1G ~4G,5G标准制定进度远快于此前,同时由于应用场景的高要求,5G设备将面对更复杂的物理协议和算法,对逻辑控制,接口速率要求极高。因此FPGA芯片应用的型号相对更高端、单片价格更贵,目前基站FPGA单价高达45美元以上。我们估计5G的FPGA市场价值将达到4G的数倍。
目前,紫光国微旗下紫光同创是目前国内少数能支持和实现大规模FPGA全流程开发设计的国内厂商。其FPGA业务全面开拓通信和工控市场,积极推进Titan系列高性能FPGA和Logos系列高性价比FPGA芯片的应用及产业化工作,已开始实现生产销售。Compact系列CPLD新产品已于2018年推向通信等市场,并已顺利导入部分客户项目。基于28nm工艺的新一代高性能FPGA已完成功能模块研发。
在5G通信方面,紫光同创FPGA在基站、无线回传、以及接入、传输、路由器、交换机等通信应用中,以丰富的可编程资源、通信类IP,及更高的存储器带宽和吞吐量,满足设计需求,加速产品的上市时间。公司高性能及新一代FPGA产品、第二代SoPC平台产品都已经开始逐步进入批量应用阶段。新的SoPC产品也已经顺利完成开发,开始被用户选型使用。
2.4.3. 攻坚FPGA器件专用EDA的“上甘岭”
EDA(Electronic design automation,电子设计自动化)是指利用
计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。处于整个集成电路产业链的最顶端。现代EDA工具几乎涵盖了IC设计的方方面面,没有EDA工具,就没有现代IC设计。
与FPGA产业类似,美国Synopsys/Cadence/Mentor Graphics三家EDA公司已经一统天下。目前国内没有成体系的纳米级EDA设计平台,只能在某些点工具上做些突破,就整体技术实力而言和国外三大厂力量对比非常悬殊。