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    2019-01-21PLD市场面临爆发 本土厂商-如何破局

      从全球范围来看,可编程逻辑器件PLD(注:PLD市场包括FPGA和CPLD,其中FPGA占据85%以上的PLD市场)相对于半导体行业中其他芯片而言,是一个“小众”市场。从市场研究公司iSuppli在2012年3月发布的数据来看,可编程逻辑器件市场估计为52亿美元。但根据另一家国际研究暨顾问机构Gartner对半导体行业增长趋势的分析结果得出,可编程逻辑器件保持着强劲的增长势头,在所有芯片种类复合年均增长率中CAGR位列第一。

      PLD 产业在中国拥有巨大的市场潜力。中国PLD 市场,十二五期间中国的可编程器件市场仍将保持年均30%以上的增长速度;中国的一些重要科研部门急需也长期需要PLD,用于国家安全和重点应用,比如航天航空、信息安全、知识产品保护等;中国信息产业的持续快速发展将为集成电路提供稳定的市场,集成电路的市场前景广阔;此外,全球电子信息产品制造业向中国转移的趋势仍在继续。这些因素都将促进中国PLD 需求量的增加。

      与通信市场的持续低迷相比,迅速增长的中国消费电子市场以良好的发展态势正吸引可编程逻辑器件(PLD)供应商们的目光,过去的靠通信市场赚足银子的PLD 供应商们不得不重新调整其市场目标。而处在上升势头的中国的消费电子厂商,比如海尔、康佳、TCL、格力、上光电等等,面对市场的压力,也表示要在将来的产品中使用PLD。可以说,PLD 正以各种各样的方式进军消费电子应用并即将掀起下一波应用热点。

      值得一提的是,美国政府对我国的PLD 产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运,使得国家在航天、航空乃至国家安全领域都受到严重制约,比如美国最新的第五代战机F22及F35均大量采用高端PLD芯片,而我国的自主PLD行业尚在起步之中。

      从Xilinx 27年间的收入曲线年开始了高速增长,年增长率达到30%。这也说明,经历了几年平稳发展的时期,PLD市场已经迎来了全面爆发的时期。

      从可编程逻辑器件领域的玩家可以了解到,这个行业又是一个高度垄断的行业,全球目前只有三家能大规模量产这类芯片的公司,即赛灵思Xilinx、阿尔特拉Altera、莱迪思Lattice。同时这些公司都在美国,他们占据了98%以上的市场份额,申请了将近6000余项专利技术,形成了技术壁垒。

      以Xilinx为例,根据Xilinx 2011财年财报显示,来自通信市场的收入达到11.05亿美元,同比增长29%,占据了整个Xilinx收入的47%。接下来的分别是工业控制、消费电子、数据处理、汽车、医疗等领域。iSuppli在2010年第四季度公布的市场数据显示,截至2014年的5年内,ASIC和ASSP市场逐渐向PLD市场倾斜,从580亿美元市场分流120亿美元到PLD领域。在过去10年,ASIC市场份额减少了50%,这部分市场被PLD行业成功占据。而这从Xilinx成立27以来的收入增长就可以看出。1997年,Xilinx收入为5.68亿美元,而2011年,其收入达到了23.69亿美元。

      从Xilinx 27年间的收入曲线年间,其收入基本是保持在一个稳定的水平,而2011年却开始了高速增长,年增长率达到30%。这也说明,经历了几年平稳发展的时期,PLD市场已经迎来了全面爆发的时期。

      另外,在全球半导体联盟GSA于2013年4月刚发布的报告中,公布了顶尖20家半导体公司截止到2012年第四季度时的产品毛利率数据。可编程逻辑器件两大厂商Altera和Xilinx榜上有名,分别以69.7%和66.6%位居前列。由此可得,这个行业是一个毛利率非常高和高净利率的行业。

      上述三家PLD厂商的产品都有其特点,例如Xilinx硬件(器件)性能更优异、品种繁多、覆盖面非常广;Altera软件(工具)性能更优异、品种也很多、市场覆盖也很广;Lattice主要面向低端的低成本器件和低功耗器件领域,但品种有限。

      根据器件发展历程以及市场应用需求发展趋势,PLD今后仍然主要朝以下几大方向发展:第一,高密度、高速度、宽频带、高保密;第二,低电压、低功耗;第三,低成本、低价格;第四,IP核复用、系统集成;第五,动态可重构及单片集群。这些发展方向并不相互排斥,从Xilinx和Altera最新发布的器件来看,他们可能结合几种发展方向上的特点形成功能性能更强大的产品。

      我国电子元器件行业进出口结构严重不合理,贸易顺差主要集中在二极管及类似半导体器件产品等技术含量和附加值均较低的产品方面,而贸易逆差则主要集中在集成电路和液晶显示板方面。近两年来,我国对集成电路和液晶显示板的进口依赖仍然严重,但随着我国高世代液晶面板生产线的建成与产能释放, 液晶显示板贸易逆差逐渐收窄。2013年,中国共进口集成电路2313亿美元,同比增长20.5%,其进口额超过原油,是中国第一大进口商品。据海关统计数据显示,2013年中国集成电路出口额877亿美元,同比增长64.1%,增速与上年持平。但由于进口量巨大,中国集成电路领域进出口逆差达1436亿美元,比上年继续增长3.5%,国内市场所需集成电路严重依靠进口局面未根本改善。

      中国集成电路产业规模和技术水平仍难以满足国内市场的需求,与英特尔、三星、高通等国际企业有很大差距,在通用CPU、存储器、微控制器和数字信息处理器等通用集成电路和一些高端专用电路上,还存在多处技术空白。其中在PLD领域我国基本上还是空白,几乎所有产品都严重依赖进口。

      近几年,搭乘新兴市场(智能工业、物联网等)和先进半导体技术快速发展先机,PLD凭借其性能优势不断入侵并蚕食着DSP市场,以Altera和Xilinx主导的PLD厂商在各领域攻城拔寨势如破竹,喜讯频传。现实情况是,由于成本和功耗等原因,在特别大量的应用中通常都没有PLD,但可编程的DSP却是不可缺少的。总的来说,由于产品生命周期越来越短,通过软件手段实现更多的功能应是设计者的主要思路。由于PLD技术的快速提升,功耗及成本的逐步下降,同一片PLD通过不同的编程数据产生不同的电路功能,使得PLD在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等DSP传统应用领域也得到了更多的应用。已有PLD厂商表示,随着功耗和成本的进一步降低并伴随着性能的提升,PLD 还将进入更多的应用领域。

      通常来说半导体产业是周期性行业,其周期一般为4 到5 年。但是随着新技术和应用的快速发展,现今半导体周期越来越短,且每一个周期都有典型应用作为拉动点,比如过去的PC、后来的通信行业。PLD 也明显符合这种规律。但不同的是,当ASIC 和ASSP 萧条的时候,往往迎来PLD 的大发展。2008 年以来的金融危机使得半导体行业平均跌幅大于10%,但是市场数据却显示PLD行业依然强劲增长。危机和低迷使ASIC 和ASSP 制造者为谨慎起见,不敢贸然推出新产品,避免巨大的NRE 费用。而PLD 恰好能迎合这一需求。

      当今,半导体市场格局已成三足鼎立之势,PLD,ASIC 和ASSP 三分天下。市场统计数据表明,PLD 已经逐步侵蚀ASIC 和ASSP 的传统市场,并处于快速增长阶段。美国政府对我国的PLD 产品与技术出口进行苛刻的审核和禁运,使得国家在航天、航空乃至国家安全领域都受到严重制约。因此,研发具有自主知识产权的PLD 技术与产品对打破美国企业和政府结合构成的垄断,及国家利益意义深远。

      国内PLD厂商应关注并解决好内核架构设计问题、芯片结构设计问题和软件开发问题。在可编程逻辑器件里,其内核架构是知识产权保护的重点,各公司有超过1/3的专利技术都是从此角度来申请并进行保护。

      在知识产权方面,对PLD的诞生起到至关重要作用的专利在几年前到期,已不再受保护。其中包括在1988年授予赛灵思联合创始人Ross Freeman的原始PLD专利。不过大多数专利仍由Xilinx和Altera把持。需要指出的一点是,在可编程逻辑器件里,其内核架构是知识产权保护的重点,各公司有超过1/3的专利技术都是从此角度来申请并保护。

      各家PLD公司都围绕其内核结构大做文章。但架构本身并无一种“最好最优”的说法。我们经常看到Xilinx和Altera在发布最新器件系列白皮书时分析并指出对方架构潜在的缺点,以对比突出自身产品架构的优势。总的来说,PLD内核架构是集多种约束条件考虑下,如评估测试、工艺制造、管脚封装、硬件实现、软件设计、应用开发等,使实现结果达到平衡折中的一种体现。而国内的PLD厂商关注并解决好其内核架构设计问题、芯片结构设计问题和软件开发问题即可。

      如何突破、如何创新一直是困扰国内PLD公司的难题。做中低端产品,在同样工艺节点下如何有效地解决芯片成本、性能和功耗问题是关键。做高端产品,如何解决产品的可靠性问题以及如何开发高效能的软件工具是关键。

      第一,PLD芯片工程化的挑战主要涉及三大过程:从市场需求文档的定义,到设计文档生成,再到实现流片的全过程;从样片测试与调试,到问题检验与修复,再到芯片量产全过程;芯片量产后的过程(测试环境再验证、产品数据再验证、产品可靠性再验证)。

      由于芯片工程化的过程是在一定时间、一定资源条件约束下来开展的,因此需要遵循有效的“时间/过程/质量”综合的管理方法。研制样片不是一件难事,而将样片量产,真正交货到客户手上并非易事,需要多方位多层次的团队合力促成。

      第二,软件工程化的挑战主要包括:对大型软件工具开发的能力(软件能力成熟度模型)、对软件工程规范性的执行能力、对软件开发成果的持续积累能力。

      PLD软件产品中EDA工具的开发是一个持续性并不断“自我学习”的过程,它与内核架构的融合需要很长的时间,不是一蹴而就的事情。如果把PLD产品研发中为硬件所付诸的努力比作“1”的话,那么为软件要付诸的努力大于“2”。从产品竞争的角度来看,软件的比重会越来越重。很多PLD初创公司之所以失败也是因为软件工具没做好。

      接着考虑一下国产PLD市场环境、投入和发展现状问题。众所周知,PLD在经济发展各领域中具有广泛的应用,中国民用市场上的PLD器件几乎100%地依赖进口,市场容量估计每年超过10多亿美元。但美国销售许可的限制不仅影响华为、中兴等中国巨型企业依赖进口PLD核心器件开发整机产品的能力,也会影响其他重要行业在产品布局和商业模式上的考虑。虽然中国各级政府多年来投入了大量的科研经费,但由于知识产权、软件技术和生产工艺等多方面的限制,关键技术难以突破,未真正实现国产PLD产业化。

      另外,国内PLD厂商通过为那些不具备独立流片条件的企业提供基于PLD技术的产品,帮助他们在多种领域内灵活解决终端客户的设计问题,这种模式符合国内中小企业多、研发力量弱的实际情况。中国市场聚集了众多以方案设计/系统整合为主的高科技企业,这些企业能够在具有不同特点的低端和中高端PLD产品的支持下,顺利设计出自己的产品,快速走向市场,以最低市场设计风险参与竞争。

      但从事过PLD芯片研制的企业常言PLD“麻雀虽小,却五脏俱全”。例如其研发周期不同于ASIC等其他芯片的研发周期。可能一代成功的产品花费7年甚至10年周期不足为奇,包括市场分析、产品定位、架构设计、硬件实现、软件支撑、芯片制造/封装/测试等一系列过程。然而对于软件而言,可能需要在此基础上再花好几年的时间才能最大限度地发挥这款芯片的特点与优势。

      再者,在PLD行业高度垄断的情况下,如何突破、如何创新一直是困扰国内PLD公司的难题。如果做中低端产品,在同样工艺节点下如何有效地解决芯片成本、性能和功耗问题是关键。做高端产品,如何解决产品的可靠性以及如何开发高效能的软件工具是关键。

      最后,即使有了好的芯片和开发工具还不够,还需要更多的应用开发团队进行支持。PLD不是终端产品,其本身是一张白纸,需要由方案设计人员在上面勾画出美景。因此上文有提到,如果把硬件实现比作“1”的线”,而为应用开发所付诸的努力则要远远大于“4”。如果一个PLD产品没有好的应用支持团队开发各类应用或参考设计,产品也很难在市场上有所表现。

      可喜的是,国内众多本土团队经过多年的摸索和奋斗,已经开始进入PLD这个利润丰厚的高门槛领域。目前在本土市场上可以提供完全自主知识产权PLD产品的主要有以下两家公司:

      京微雅格创立于2006年,其总部设在北京,有超过100名的员工,分别分布在中国,美国和印度,有超过200家的客户和10万片的销售量。现在为北京市政府的投资项目,仅2011年一年就有¥14 million的投资。

      其新一代产品金山系列FPGA整合了增强型8051单片机架构、Hard IP(可以进行视频处理、网络安全、存储接口以及通信)、FLASH(1M、4M根据实际需求客户可自选)以及SRAM(64KB、128KB)。四者的无缝连接,可为用户提供灵活的、差异化的、低成本的、行业最高安全性的系统集成解决方案。

      罗奥格(Altagate)创立于2011年,其总部设在上海,坚持自主研发道路,拥有芯片架构,软件和电路的知识产权,采用硅谷先进技术创新: Software-Driven Logic Architect (16 SLICES)来实现高性能、低成本和低功耗的逻辑芯片。

      其于2012年成功推出了与Altera MAXII完全兼容的PLD系列芯片及开发工具,并在工业和通信领域得到广泛的商业化应用。 公司可编程解决方案促进了产品的及时面市,相对于高成本、高风险的ASIC开发以及不灵活的ASSP和数字信号处理器具有明显的优势。该公司是目前除美国唯一的可提供PLD整体解决方案的企业。

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