美國壟斷的萬能晶片FPGA,涉及國際安全,中國為什麼還沒徹底搞定

2020-03-06     胖福的小木屋

雖然中國在一些種類的晶片上取得了突破,比如手機晶片、超算晶片,但是在一些晶片種類一直都沒有辦法搞定,比如CPLD/FPGA(複雜可編程邏輯器件與複雜可編程邏輯陣列)晶片領域,歐美依然處於技術壟斷階段。

FPGA 是指一切通過軟體手段更改、配置器件內部連接結構和邏輯單元,完成既定設計功能的數字集成電路。FPGA 可以通過設定而實現各種複雜的功能電路。就好像一個機器人一樣,你想要跑步快,就把你設定為博爾特,你想要籃球猛,就把你設定成姚明。

FPGA 誕生於 80 年代,一開始飽受質疑,隨著技術的不斷發展與成熟,當 FPGA 加入數位訊號處理、嵌入式處理、高速串行和其他高端技術時,在 90 年代中後期,FPGA 開始發光發熱。(CPLD 在有些時候也會被納入 FPGA 之中,兩者之間的區別主要是在架構和工藝上會略有區別,但基本原理都是相同的)



FPGA可以說是一個多面手,在靈活性上高於專用晶片ASIC,性能和實時處理能力優於CPU。通過現場對晶片進行硬體編程來實現不同的電路功能,FPGA也被譽為「萬能晶片」,被廣泛應用於航空航天、通信、工業控制、計算和存儲、汽車電子、醫療器械、儀器儀表、廣播和消費電子等行業,是新興的大數據、雲計算、5G、人工智慧和自動駕駛等領域不可或缺的重要元器件。


身為發明者的美國賽靈思和後來將 FPGA 應用於可編程片上系統的美國阿爾特拉基本上壟斷了 FPGA 90%的市場,它們和和Lattice、Microsemi等公司通過近9000項專利構築了牢固的智慧財產權壁壘,對後來者形成了強大的市場壁壘,幾乎封鎖了所有通向FPGA商用產品的通途。二十多年來,上百家企業曾經想要衝擊 FPGA 市場,都鎩羽而歸。



直到2010年,部分FPGA晶片專利過期,中國才有一些企業入局FPGA市場,雖然說可以通過先進的EDA工具來提升FPGA的開發效率,但是我國依然嚴重依賴國外的EDA工具,因此也限制了國內FPGA產業的發展。

什麼是EDA工具呢?它是指晶片設計工具(電子設計自動化)。在集成電路發展的早期,人工即可完成集成電路設計。但隨著摩爾定律的推進,要完成單位平方毫米內上億個門級電路的晶片的設計,則必須通過EDA輔助工具進行晶片設計。

目前國際上主要有三大集成電路EDA公司,分別是Synopsys,Cadence,Mentor Graphics。三家在EDA行業的市占率幾乎形成壟斷,且均為美國公司。


使用EDA工具的混合信號晶片設計流程


因為FPAG晶片對於產品的安全性和可靠性要求異常嚴苛,涉及到國家安全,如果不能夠實現自主化,除了在供應上受制於人之外,還帶來巨大的安全隱患,而且FPGA全球市場高達50億美金,中國市場達15億美金,國內FPGA市場年增速超30%,可見FPGA的市場前景廣闊。

舉個例子,在FPGA領域,皇冠上的明珠卻是宇航級抗輻射晶片,這是FPGA領域最高的級別,也是全世界最貴的晶片,一顆價值千萬。

同創國芯是最早的入局者,它們研究的TItan系列高性能FPGA有兩大特點,一是TItan系列它是中國第一款千萬門級FPGA; 二是採用了先進的40nm製程,在國內領先。TItan系列高性能FPGA產品的發布可以說是從此打破國外技術的壟斷局面、國產FPGA 向前邁進了一大步。

同創國芯推出的Titan系列可編程邏輯器件採用了完全自主產權的體系結構和主流先進位造工藝,產品規模為3萬至32萬個可編程基本邏輯單元,帶有DDR3和PCIe接口。Titan系列產品包含創新的可配置邏輯單元(CLM)、專用存儲單元(DRM)、算術處理單元(APM)、多功能高性能I/O以及豐富的片上時鐘資源等模塊,能夠為客戶提供高性能,大容量,差異化應用的FPGA產品。

除此之外,中科億海微研製成功300萬門級ER2C3000-H型高可靠FPGA晶片,抗單粒子翻轉能力可以提升1~2個數量級,可以滿足商業航天的特殊需求。

除了航天領域,中科億海微還瞄準軍工、信息安全、工業控制、現代通信等行業應用需求,不斷提升企業技術創新能力,擴展FPGA產品類型,2019年成功研製出基於國產先進工藝的FPGA IP核,同時研製出高性價比的千萬門級FPGA和高性能功耗比的百萬門級FPGA系列產品,可以滿足更多的行業應用需求。


除此之外,如今中國電科、AGM等眾多國產企業正在努力依靠自主研發,突破封鎖。在中低端市場取得了不錯的成績。

紫光集團曾經想通過購買 Lattice 來破開壟斷局面,遭到特朗普政府的強勢打壓。目前來說,中國的FPGA技術只是在中低端取得了突破,還是沒有攻克高端FPGA技術。



歐美之所以在晶片領域做到了技術壟斷,除了因為如今的科技、整個文明社會的框架、標準都是歐美製定的,他們擁有多年的技術儲備。還有就是晶片領域的技術含量太過於密集了。

整個晶片領域從研發到設計再到生產,每一個步驟的技術難度之高,如果沒有頂尖的半導體專家和一流的工具設備,根本沒有辦法完成,比如畫板子、晶圓、流片、製程、封裝、光刻等。

國產光刻機流片

另外晶片行業資金極度密集,生產線動輒數十億上百億美金。而且往往投入數年還沒有任何回報。對於FPGA這樣高難度的晶片類型來說,需要投入的人才和資金太多了,短期內又很難取得突破,這也是為什麼中國始終沒有掌握高端FPGA晶片的原因。

希望國家可以加大力度扶持,讓中國可以掌握高端FPGA晶片技術。


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