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对标Lattice,高云FPGA在自主创新的GoWin路上越走越顺畅

一年前,广东高云(GOWIN)半导体CEO 朱璟辉 先生与一位投资人有一次对话:“你要投资高云半导体,到底是看上了我们哪一点?”投资人表示:“现在的整个产业,唯一不变的就是变化本身。电子技术快速发展,万物互联,不断有新的技术和应用出现,一切都在变化之中。而FPGA这项技术和产品,非常适合这样的发展潮流,因为它是可编程的,可以根据实际应用的需求进行变化,非常灵活。”

 

就在上个月,朱璟辉受邀去苹果公司总部,向工程师介绍高云的产品。苹果的工程师对FPGA有着普遍的共识,那就是FPGA并不是传统上手机所采用的芯片,但今天的情况却大不相同,手机研发工程师越来越看重其在手机中的应用前景。这使朱璟辉感到非常的兴奋和开心。

 

由于FPGA是可编程的解决方案,其特殊的灵活性就决定了其在新兴应用当中具有广阔的发展空间,特别是当下最为火爆的人工智能(AI)。

 

对于新兴的应用方案来说,没有现成的芯片(ASIC)可用,只能通过FPGA,利用其可编程的特点,来实现并验证工程师所需要的初步解决方案。因此,在任何热门应用领域,都离不开FPGA,总能看到它的身影存在。

 

FPGA市场广阔 自主研发刻不容缓

FPGA应用越发炙手可热,市场规模呈现阶梯状快速增长趋势,预计到2022年,亚太区FPGA市场将突破40亿美元;而当前全球FPGA市场的99%仍被美国的4家公司垄断(Xilinx,被英特尔收购的Altera,Lattice,以及被 Microsemi收购的Actel)。

 

而中国FPGA的消耗量巨大,大概占全球的30%,是世界上用量最大的国家。近期,莱迪思收购案再次被美国政府叫停,业界越发深刻认识到FPGA是有钱也买不到的高端先进技术,发展国产FPGA唯有走正向设计自主研发之路。

 

但是,自主设计FPGA谈何容易,要面临工艺制程新、设计门槛高、资金投入大、技术人才缺这4大难点,目前,核心技术和架构多数都掌握在美国那4家厂商手中,我们要想自主设计,需要不断地学习和积累,还要有带头人去引领。

 

传统上,比较简单和省事的FPGA设计方法是做反向工程研究,这样虽然难度低,但无法掌握核心技术,也就不可能进行市场化推广,只能在小范围内应用。

 

要想实现真正的自主研发,就必须走正向设计之路,但这条路不好走,要去面对各种难题,包括巨大且持续的资金投入、难以想象的设计难度,以及残酷的市场竞争。

 

在这样的背景下,高云半导体从一开始就坚定地选择走正向设计之路,难度虽大,但前途光明。走这条路是需要强大底气的,该公司拥有一支强悍的FPGA技术开发团队,其核心骨干,每个人在美国那4大FPGA厂商工作至少10年。另外,该公司的专利库也在不断积累和丰富当中。

 

到目前为止,高云半导体的FPGA流片成功率为100%。正因为如此,该公司自2014年1月成立以来,得以在3年内,推出了晨熙、小蜜蜂两个家族、4个系列、涵盖了11个型号、50多种封装的FPGA芯片。

 

要做FPGA开发,软件是重中之重,高云具有自主知识产权EDA开发软件——云源软件已更新至1.7.9版本,内嵌经Synopsys正规授权的Synplify Pro,支持Verilog、VHDL等语言的混合编程,内嵌丰富的设计辅助工具与硬件调试工具,可以完成FPGA开发过程中综合、布局、布线及产生比特流等一站式工作,帮助用户生成高质量的编译结果,满足高、中、低密度FPGA的开发需要。

 

为加速用户产品研发,方便用户创新设计,高云半导体还推出了自主产权软核集,囊括了多种总线接口IP、高速DDR接口IP、MIPI接口IP、LVDS LCD控制器、嵌入式内存控制器等IP软核。

 

近期,高云又发布了3款新产品,分别是小而专的小蜜蜂GW1NS-2 SoC、高性能的晨熙GW3AT和RISC-V平台化产品。

 

FPGA商家的SoC情结

小蜜蜂系列最大的特点就是非易失性。目前,在低密度非易失性FPGA市场,高云的主要竞争对手就是Lattice,Xilinx不涉及该应用领域。目前,该类型产品可以完全取代传统的CPLD,每年约有5亿美元的市场总量。

 

相比于Lattice的OTP(只能编程一次)对标产品,小蜜蜂系列采用闪存工艺技术,可以多次编程,具有更强的灵活性和可重用性。

 

另一方面,非易失性可以有效的保护用户的私密信息和数据,再结合创新的硬件加密技术,可对设计进行良好的保护,避免令客户头疼的抄袭克隆设计问题,有利于创新。

 

在FPGA内部集成MCU、DSP、SERDES等模块,提高了集成度,为客户节省了板上空间。该种方案已经抢占了不少传统DSP/SERDES的市场。

 

新推出的GW1NS是高云首款SoC系列产品,内嵌了ARM Cortex- M3、分布式RAM、块状RAM、用户Flash、USB 2.0 PHY、MIPI D -PHY、12bits/16MHz ADC等模块。 

 

值得注意的是,市面上的FPGA产品当中,很少有集成USB 2.0功能块的,而GW1NS做到了这一点,因为,在传统概念上,FPGA都是应用在通信系统和设备上的,很少与消费类产品搭上关系,而随着市场需求的发展,以及FPGA集成度不断提升、功耗降低,其在消费类产品中的应用越来越多,就如前文所说的,苹果工程师对FPGA表现出的兴趣一样,而且,在iPhone7中,已经用到了FPGA。

 

在这样的背景下,在消费类电子产品当中应用广泛的USB 2.0/3.0等功能模块,会在将来的FPGA产品当中不断涌现。

 

传统上,有厂商曾经将CPU与FPGA集成,二者各有优势,后者善于并行计算,处理能力强,前者则强在“管理”,这正是FPGA所缺乏的,两者结合,可有效的提升整体性能。

 

而高云为什么要集成MCU呢?一方面,我们看到,FPGA 的主要竞争对手是ASSP和ASIC,而后两者加起来市场销量是FPGA的20多倍以上,在MCU市场,ARM架构已经占据了绝对统治地位,因此,FPGA + ARM内核的架构,将有助于提高FPGA的竞争力,进一步扩展应用范围。

 

另一方面,嵌入式市场非常宽广,MCU无处不在,高中低端无孔不入,因此,高云选择采用FPGA+MCU(ARM)的方式进入这个广阔的嵌入式市场,主要针对的还是中高端的差异化应用,力求开拓出一片新天地。当然,这样做也是有风险的,因此,该公司没有大面积铺开,先用一两款产品去探路。这样的探索也必须有缜密的前期市场调研作为依据,在商业模式、成本、易用性等方面,经过多番论证和研究,才能实施。

 

GW1NS系列的典型应用包括:伺服电机控制器,Type C CD/PD解决方案,各种显示控制器/人机界面等。

首款28nm中高密度FPGA 对标Xilinx的K7

GW3AT-100是高云首款,也是国产首款采用28nm(台积电)制程工艺的中高密度FPGA,其内嵌功能模块如下图所示:

 

通过采用28nm工艺,GW3AT-100优化了FPGA Fabric速度和功耗,还支持多协议,包括:PCIe 2.0/5Gbps;XAUI/3.125Gbps;RXAUI/6.25Gbps;CEI-6G/6.25Gbps;自定协议/250M -6.8Gbps。

 

GW3AT-100的PCIe2.0硬核,支持 x1,x2,x4,x8,还支持Root Poot / Endpoint多种协议。

 

GW3AT的典型应用包括:无线微小基站Microcell,机器视觉,智能工业,并行运算&深度学习等。

朱璟辉表示,GW3AT的推出,就是要抢夺Xilinx公司Kintex-7产品的应用市场。

 

RISC -V计划

目前的嵌入式及MCU市场和生态已经被ARM统治,而长时间的一家独大总不利于产业进步,因此,近几年,一股新生力量的影响力正在不断提升,它就是RISC-V。

 

RISC -V是由加州大学伯克利分校研究院在2010 年打造的一个CPU芯片架构,它免费向所有人开放。开发者可以基于这个架构开发应用于PC、服务器、智能手机、可穿戴和其它设备的芯片。

 

因此,使用RISC-V,用极小的代价就可以定制出低成本、高性能的SoC,而这正是高云半导体所需要的,可是说,对于FPGA,这是一个难得的机遇。

 

据悉,高云已经是RISC -V基金会的成员之一,该公司计划在2018年第二季度推出集成有RISC-V软核的FPGA参考设计、开发平台和相应的开发套件。根据实际市场接受和应用情况,今后还会推出内嵌RISC-V硬核的FPGA。

 

高云的愿景

从下图的产品研发路线图,我们可以看出高云半导体在高中低密度FPGA产品研发方面的规划和时间表。 

据朱璟辉介绍,目前,高云半导体FPGA产品已经渗透到十余个典型行业中,客户发展达到200多家,其中有20多家客户已经开始批量采购,超过40个项目正在进行,市场拓展呈现快速增长趋势,预计春节前累计销量将突破200万片,要实现真正的国产FPGA产业化发展。

 

看来,高云半导体真是像它的名字(GOWIN)一样,正在走向成功的路上。我们也希望并祝愿更多的本土FPGA厂商,能够创造出越来越多的、属于我们自己民族的FPGA品牌和产品,早日实现真正的国产化,自给自足。