文｜半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

FPGA行業(yè)，競(jìng)爭(zhēng)加劇。

目前，由于一些關(guān)鍵參與者的動(dòng)蕩，F(xiàn)PGA 聯(lián)盟和市場(chǎng)的狀況尚不明朗。與此同時(shí)，無論是高端、中端還是低成本，新型 FPGA 的前景都從未如此好過。這的確是喜憂參半的消息，但對(duì)基于 FPGA 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這預(yù)示著好事。

高端產(chǎn)品的變化更多

我們先來談?wù)?FPGA 領(lǐng)域的不確定性。今年 2 月，英特爾宣布將分拆其 FPGA 制造部門——英特爾可編程解決方案事業(yè)部 (PSG)，使其成為一家準(zhǔn)獨(dú)立公司。該公司將該部門恢復(fù)為原名Altera，但使用了新的標(biāo)語(yǔ)：“英特爾旗下的公司”。

英特爾最初于 2015 年以 167 億美元收購(gòu)了 Altera。顯然，英特爾首席執(zhí)行官帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 已經(jīng)意識(shí)到，在公司與 AMD 長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的 x86 霸主地位爭(zhēng)奪戰(zhàn)中，制造 FPGA 只不過是一種消遣。

基辛格需要讓英特爾重回 x86 的領(lǐng)導(dǎo)地位，因此他正在實(shí)施一系列相當(dāng)痛苦的成本削減措施，包括大規(guī)模裁員和將 Altera 趕出公司。Altera 的新任首席執(zhí)行官、前英特爾高管桑德拉·里維拉 (Sandra Rivera) 表示，Altera 正在尋找投資者購(gòu)買該公司的少數(shù)股權(quán)，Altera 計(jì)劃在 2026 年進(jìn)行 IPO。

英特爾 PSG 不得不使用英特爾專有的新型半導(dǎo)體工藝和EDA 工具，這些工藝和工具針對(duì)制造處理器（英特爾的主營(yíng)業(yè)務(wù)）進(jìn)行了優(yōu)化，這讓英特爾 PSG 苦不堪言。FPGA 不是處理器。相反，它們?nèi)麧M了連接片上邏輯和內(nèi)存的稀疏塊的路由網(wǎng)絡(luò)。

從構(gòu)造上看，F(xiàn)PGA 幾乎與處理器完全相反，處理器依靠密集的邏輯和最短的路由網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)高性能。過度優(yōu)化的半導(dǎo)體制造工藝（用于制造處理器，英特爾的主要產(chǎn)品）對(duì)于制造 FPGA 來說必然不是最佳的。

與此同時(shí)，AMD 總裁 Victor Peng 于 8 月退休。Peng 曾擔(dān)任賽靈思首席執(zhí)行官。他于 2022 年 2 月將公司出售給 AMD，他的退休和離開 AMD 使該公司的 FPGA 制造業(yè)務(wù)陷入了一種不確定的狀態(tài)，因?yàn)?Peng 是 AMD 最堅(jiān)定的 FPGA 支持者，他捍衛(wèi)著自己在賽靈思擔(dān)任可編程平臺(tái)開發(fā)高級(jí)副總裁時(shí)建立的遺產(chǎn)。他可能是 AMD 高管團(tuán)隊(duì)中唯一的 FPGA 支持者。

許多觀察人士認(rèn)為，AMD 在 2022 年收購(gòu)賽靈思只是模仿英特爾收購(gòu) Altera 的舉動(dòng)，有點(diǎn)像 1946 年百老匯音樂劇《安妮拿起槍》中的一句歌詞：“你能做的任何事，我都能做得更好。”

雖然 AMD 還沒有放棄賽靈思的跡象，但就目前而言，該公司花了七年時(shí)間才追隨英特爾的腳步，收購(gòu)了剩下的獨(dú)立 FPGA 領(lǐng)跑者。當(dāng)然，AMD 的情況有些不同。AMD 從臺(tái)積電購(gòu)買處理器和 FPGA 晶圓，因此 FPGA 產(chǎn)量有可能助 AMD 從臺(tái)積電獲得更大的批量折扣，而不是干擾處理器制造。

盡管存在這些不確定性，Altera 和 AMD 仍在 FPGA 領(lǐng)域繼續(xù)較量。Altera 正在對(duì)其產(chǎn)品線進(jìn)行現(xiàn)代化改造，并明智地將所有三個(gè) FPGA 層級(jí)（高端、中端和低端成本優(yōu)化）遷移到統(tǒng)一的 Agilex 品牌。從開發(fā)的角度來看，這意味著高端 Stratix、中端 Arria 和低端 Cyclone 和 MAX FPGA 的生命周期已到盡頭。

在分拆之前，英特爾 PSG 曾承諾 Cyclone FPGA 的產(chǎn)品供應(yīng)將持續(xù)到 2035 年，但這些器件的平均售價(jià)并不能保證。維護(hù)舊工廠以供應(yīng)這些老化部件的成本越來越高，而且根據(jù) FPGA 的以往歷史，這些成本將轉(zhuǎn)嫁給買家。

過去一年，AMD 和 Altera 的高端 FPGA 系列都沒有太大變化。AMD 的頂級(jí) 7 納米 Versal FPGA 于 2018 年發(fā)布，并于 2021 年全面投產(chǎn)——當(dāng)時(shí) AMD 尚未收購(gòu)賽靈思。英特爾于 2023 年初宣布推出基于英特爾 7 工藝（最初稱為 10 納米 SuperFin 工藝）的頂級(jí) Agilex 7 FPGA，當(dāng)時(shí)這些器件已經(jīng)投入生產(chǎn)。自推出以來，AMD 和英特爾一直在為其高端 FPGA 系列注入新成員。

請(qǐng)注意， AMD/Xilinx Versal的生產(chǎn)公告和英特爾 Agilex 7 的生產(chǎn)日期之間大約相隔兩年。這一差距為英特爾為何要分拆 Altera 提供了線索。自從 2013 年 Altera 選擇英特爾作為其未來 14 納米 FinFET FPGA 的半導(dǎo)體代工廠以來，Altera（以及后來的英特爾 PSG）在進(jìn)入下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)一直落后于賽靈思（現(xiàn)為 AMD）。

這種滯后的一個(gè)可能解釋是，英特爾的處理器可以優(yōu)先使用新的工藝節(jié)點(diǎn)，而 AMD 近 15 年來的主要代工廠臺(tái)積電只要客戶支付臺(tái)積電的價(jià)格，就可以使用其最新的工藝節(jié)點(diǎn)。

盡管 2024 年 FPGA 設(shè)計(jì)的前沿領(lǐng)域沒有太多變化，但 FPGA 市場(chǎng)的低端領(lǐng)域卻發(fā)生了許多變化。Altera 于 2023 年 10 月發(fā)布了低端 Agilex 3 FPGA 系列，目前計(jì)劃于 2025 年投產(chǎn)。與此同時(shí)，AMD 于 2024 年 3 月宣布推出 Spartan UltraScale+ FPGA 系列，計(jì)劃于 2025 年中期投產(chǎn)。（AMD 的低端 FPGA 產(chǎn)品品牌 Spartan 與其之前最先進(jìn)的 FPGA 工藝節(jié)點(diǎn) UltraScale+ 的搭配，給人一種奇怪的不協(xié)調(diào)感）

行動(dòng)是在低端

多年來，AMD/Xilinx 和 Altera/Intel 都很少關(guān)注中端和低端 FPGA，而是更愿意專注于高端、高利潤(rùn)的設(shè)備。盡管他們?cè)谥卸撕偷投耸袌?chǎng)中的大多數(shù)舊 FPGA 仍然非常適合各種嵌入式設(shè)計(jì)，但這些設(shè)備現(xiàn)在至少已有 10 年歷史，而且已經(jīng)過時(shí)了。這種對(duì)較便宜的 FPGA 系列缺乏關(guān)注的做法引起了另外兩家 FPGA 供應(yīng)商 Lattice 和 Microchip 的注意，這兩家公司推出了新產(chǎn)品來參與這些市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。

2024 年，萊迪思半導(dǎo)體宣布其低端 Certus-NX FPGA 系列新增成員，采用低功耗 28 納米 FD-SOI 工藝制造。Certus-NX FPGA 不大。最大的有 39,000 個(gè)邏輯單元。新的 Certus-NX-09 和 Certus-NX-28 FPGA 較小，分別有 9,000 個(gè)和 28,000 個(gè)邏輯單元。萊迪思將于 2022 年底宣布其基于臺(tái)積電 16 納米 FinFET 工藝節(jié)點(diǎn)的中端 Avant FPGA 平臺(tái)和 Avant-E 產(chǎn)品系列。Avant-E 系列現(xiàn)在包括具有多達(dá) 637,000 個(gè)邏輯單元的設(shè)備，并且沒有高速 SerDes 收發(fā)器。

此后，萊迪思繼續(xù)推出新的 Avant FPGA 系列，包括配備 12.5Gbps SerDes 收發(fā)器的 Avant-G 系列和集成 25Gbps SerDes 收發(fā)器和支持 PCIe Gen4 x8 連接的硬件鏈路層的 Avant-X 系列。萊迪思宣布將于 2023 年末推出 Avant-G 和 -X FPGA 系列樣品部件。這些中檔 FPGA 直接與 28 納米 AMD Kintex 7 和 20 納米 Altera Arria 10 FPGA 競(jìng)爭(zhēng)，這兩款產(chǎn)品都有十多年的歷史了。16 納米 AMD Kintex UltraScale+ FPGA 系列只是稍新一點(diǎn)，于 2015 年推出。

經(jīng)常被忽視的 FPGA 廠商 Microchip 于 2023 年初發(fā)布了基于 28 納米 SonOS 工藝技術(shù)的中端 PolarFire 2 SoC FPGA 系列。PolarFire 2 SoC FPGA 與最初的賽靈思Zynq 7000 和 Altera 的 Cyclone V SoC FPGA 直接競(jìng)爭(zhēng)，這兩款產(chǎn)品均于 2011 年發(fā)布。得益于 2018 年收購(gòu) Microsemi，Microchip 繼承了可追溯至 Actel 和 FPGA 早期的可編程邏輯傳統(tǒng)。

Microchip 的 PolarFire 2 SoC FPGA 與 AMD 和 Altera SoC FPGA 在兩個(gè)關(guān)鍵方面有所不同。首先，28 納米 SonOS 工藝允許 Microchip 將非易失性配置存儲(chǔ)器與其他 SoC FPGA 元件直接集成在芯片上，這樣就無需使用外部配置 EEPROM，從而減少系統(tǒng)級(jí)零件數(shù)量和成本。

其次，PolarFire 2 SoC FPGA 集成了五個(gè) 64 位 SiFive RISC-V 處理器內(nèi)核，而不是 AMD 和 Altera 較舊的 SoC FPGA 中的一兩個(gè)古老的 32 位 Arm Cortex-A9 內(nèi)核。2024 年，Microchip 宣布推出一款低成本的 PolarFire SoC Discovery Kit，這是一塊帶有軟件的開發(fā)板，可大大簡(jiǎn)化熟悉 SoC FPGA 等復(fù)雜新產(chǎn)品的任務(wù)。PolarFire SoC Discovery Kit 目前單個(gè)售價(jià)為 132 美元。

未來競(jìng)爭(zhēng)更加激烈

在一定程度上得益于萊迪思和 Microchip 推出的中端和低端 FPGA，Altera 和 AMD 現(xiàn)在對(duì) FPGA 市場(chǎng)的這些領(lǐng)域表現(xiàn)出了新的興趣，Altera Agilex 3 和 AMD 的 Spartan UltraScale+ 和 Kintex UltraScale+ 公告就是明證。

整個(gè) FPGA 行業(yè)都受益于競(jìng)爭(zhēng)的加劇。隨著舊生產(chǎn)線的貶值，較新但非尖端的半導(dǎo)體工藝仍有很大的發(fā)展空間，可用于這些對(duì)成本更敏感的 FPGA 細(xì)分市場(chǎng)。同時(shí)，開發(fā)下一代尖端工藝節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)也為高端 FPGA 細(xì)分市場(chǎng)提供了充足的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

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