日前赛灵思推出最大容量 FPGA 芯片,阿里达摩院也发布了关于 AI 语音的 FPGA 芯片技术。FPGA 芯片有何特别之处?它和当下最热的 5G、AI 领域又有何关系呢?

 

据媒体报道,全球最大的可编程芯片(FPGA)厂商赛灵思日前正式推出了有史以来最大容量的 FPGA 芯片——Virtex UltraScale+ VU19P。

 

VU19P 采用 16nm 工艺,基于 Arm 架构,拥有 350 亿颗晶体管,还拥有史以来单颗芯片最高逻辑密度、最大 I/O 数量(900 万个系统逻辑单元、2072 个用户 I/O 接口),用于当前最先进的 AI 芯片、5G 芯片、汽车芯片的仿真与原型设计,2020 年秋天上市。

 

而就在 21 日,阿里达摩院发布了一项关于 AI 语音的 FPGA 芯片技术——Ouroboros,该技术能将语音生成算法的计算效率提高百倍以上。

 

那么,FPGA 究竟有什么特别之处?它的市场前景如何,又将催生怎样的投资机会呢?

 

FPGA 是可以先购买再设计的“万能”芯片

FPGA(现场可编程门阵列),是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路,它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构,让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片,广泛应用在原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。

 

相对于 ASIC,FPGA 具有 3 点优势:

(1)灵活性:通过对 FPGA 编程,FPGA 能够执行 ASIC 能够执行的任何逻辑功能。FPGA 的独特优势在于其灵活性,即随时可以改变芯片功能,在技术还未成熟的阶段,这种特性能够降低产品的成本与风险,在 5G 初期这种特性尤为重要。

 

(2)上市时间:由于 FPGA 买来编程后既可直接使用,FPGA 方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期,为企业争取了产品上市时间。

 

(3)成本:FPGA 与 ASIC 主要区别在后者有固定成本而 FPGA 方案几乎没有,在使用量小的时候,FPGA 方案由于无需支付一次性百万美元的流片成本,同时也不用承担流片失败风险,FPGA 方案的成本低于 ASIC。随着使用量的增加,FPGA 方案在成本上的优势逐渐缩小,超过某一使用量后,ASIC 方案由于大量流片产生了规模经济,在成本上更有优势。

 

 

FPGA 市场规模虽小 5G 和 AI 带来确定性增长

根据 WSTS 的数据,2018 年全球集成电路市场规模达到 4688 亿美元,同期全球 FPGA 市场规模约 63 亿美元,仅占集成电路市场约 1.34%。市场虽小,但未来受益于 5G 基础设施全球布局及 AI 技术持续发展,FPGA 行业需求量增长具确定性。

 

5G 时代,FPGA 市场面临量价齐升机遇。由于 FPGA 主要用在收发器的基带中,5G 时代由于通道数的增加,计算复杂度增加,所用 FPGA 的规模将增加,由于 FPGA 的定价与片上资源正相关,未来通信领域 FPGA 单颗成本也将上升,目前基站收发器中的 FPGA 单价通常在几百元人民币的范围,未来有望进一步提高。收发器的主要成本和功耗由基带部分贡献,未来技术复杂度将再次推升收发器成本,进而传导到基站 AAU 价格上升。

 

5G 带来的 FPGA 出货量提高来源于两方面。一是通信基站数量提高带动 FPGA 零部件用量提高。5G 初期基站铺设数量环比提高,另一方面由于 5G 信号衰减较快,小基站需求量巨大,未来十年有望超 1000 万座,同比 4G 时期增长明显。二是单基站 FPGA 用量提高带动 FPGA 通信市场用量整体提高。由于 5G Massive MIMO 的高并发处理需求,单基站 FPGA 用量有望从 4G 时期 2-3 块提高到 5G 时期 4-5 块,将带动 FPGA 整体用量。

 

 

此外,FPGA 由于其灵活性及高速运算能力,在 AI 加速卡领域应用广泛。根据 Semico Research 的数据,AI 领域 FPGA 市场规模 2023 年有望达 52 亿美元,相比于目前 63 亿美元的 FPGA 市场,AI 领域的应用不可小觑。

 

 

国内市场:紫光同创为龙头 领先同行一代

国内 FPGA 市场以紫光同创、上海安路、广州高云半导体为代表,也正在探索从消费级到通信端的市场机会。国内企业目前工艺技术最高且正在量产的 40nm 级,并在积极研发 28nm 级产品,整体工艺水平较赛灵思落后约 2-3 代。

 

紫光同创(原名同创国芯)是深圳国微电子于 2013 年 12 月以货币资金 1.5 亿注册成立的子公司,专业从事 FPGA 的研发和销售。2017 年 11 月,为保证紫光同创持续研发投入以及加快产品市场化进程,促进其业务健康发展,公司控股股东对其进行增资 2.51 亿元,紫光国微持股比例由 73%下降至 36.5%,不再纳入合并报表。

 

紫光同创拥有国内行业最多的专利技术,最先进的生产工艺,其 40nm 产品可达 2000+万门。国内同行 200 万门左右的 55nm 和 65nm 级产品,较紫光的工艺落后 1 代。新时代证券指出,FPGA 方面,紫光国微积极推动 Titan、Logos、Compact 三个系列产品的应用及产业化,28nm 工艺的新一代 FPGA 产品的研发进展顺利。受益于国产替代,未来成长空间巨大。