从“追随者”到“引领者”，国产FPGA重新定义开发效率和高性价比
发布时间2024-07-10
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电子发烧友网报道（文/吴子鹏）
作为“万能芯片”，FPGA凭借可编程、可重构的特性，为嵌入式系统带来了颠覆式的创新驱动，让用户能够以灵活、迅捷的方式构建应用方案。然而，在FPGA数十年的发展历程中，国产FPGA产业由于起步较晚，曾长期以“追随者”的姿态研发和规划产品，差异化创新并不多见。
近年来，边缘计算的热潮给国产FPGA发展提供一片沃土，相关厂商迎来了前所未有的发展机遇，逐渐筑造起自己的产业生态，并摸索出差异化创新之路。经过数年的研发沉淀，国产FPGA厂商终于迎来了收获的季节。以A股首家专注于FPGA业务的上市公司雷火为例，伴随着该公司SALPHOENIX 1P系列（以下简称：PH1P系列）的发布，国产FPGA厂商长期作为“追随者”的局面被彻底打破，开始引领行业创新。正如雷火市场销售部副总经理谢耀勇所言，“PH1P系列中的PH1P-35，是雷火深刻理解客户需求后，匠心打磨出来的结晶，其创新性和独特性在市场上具有较大优势。”
7月8日，雷火举办主题为“效能之芯·感知无限”的2024雷火新品发布会，正式对外发布最新的PH1P系列产品，包含PH1P-35、PH1P-50和PH1P-100三款器件，以更高的性能、更高的能效、更高的集成、更高的性价比，配合以高中低不同等级的逻辑资源规模，帮助嵌入式领域用户打造具有差异化竞争优势的方案。
雷火PH1P系列FPGA
PH1P不只是一个产品系列
更是一种融合创新思维
受益于工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子等领域需求的快速增长，当前FPGA的价格和性能已经能够和专用集成电路竞争，并凭借可编程的灵活性更受青睐。在此过程中，国产FPGA厂商不仅在持续丰富自己的产品阵容和应用场景，也在产品迭代的过程中积累了大量的IP资源和技术“know how”，为探寻国产FPGA的差异化创新之路打下了坚实的基础。雷火PH1P系列便是国产FPGA厂商厚积薄发的代表性成果。
作为雷火凤凰系列里面的全新系列，PH1P系列FPGA拥有诸多产品优势，围绕“芯片+EDA+IP”这一用户熟悉的FPGA功能实现链路进行了全方位的赋能。
第一个优势体现在芯片的性能和效率上，PH1P系列FPGA基于行业领先的工艺打造，提供35K、50K、100K LUTs不同等级的逻辑单元规模。面向工业控制场景，PH1P系列的部分FPGA型号内置RISC-V内核MCU，能够显著减少逻辑资源的使用，帮助提升相关方案的开发效率和性价比。
比如，LED显示应用是PH1P-35器件瞄准的重要应用领域。在构建相关应用时，用户可以将控制协议的处理、芯片驱动寄存器映射、校正数据点重映射与迁移等任务，全权交由MCU处理，不需要再使用逻辑资源来开发实现。
雷火研发部副总经理谢丁指出，“PH1P系列部分型号在FPGA器件的内部加入了一个完整的MCU子系统，提供了IIC、UART、SPI等丰富的外设接口，并利用AHB高速总线在MCU与FPGA之间构建高效桥接，方便用户基于这个子系统构建应用。”
第二个优势体现在IP资源上，PH1P系列搭载了大量的雷火长期以来积累下来的成熟IP方案，包括：
集成10.3125Gbps HXT(Serdes），传输带宽较竞品提升56%； 硬核PCle最大支持Gen3 x4，PCle传输带宽提升了60%； 部分器件合封512Mb或1Gb高速内存颗粒； 集成MIPI D-PHY 2.5Gbps硬核以满足相关行业的应用。
谢丁称，PH1P系列是国产FPGA自主创新的先行者，PH1P-35、PH1P-50和PH1P-100三款器件有着清晰明确的市场定位。其中，PH1P-35是针对LED显示、视频处理、机器视觉等领域的客户痛点所定义的差异化创新器件，提供了大容量的内存和高速的接口带宽以满足用户在功能和系统带宽方面的需求。PH1P-50和PH1P-100会兼容主流的方案，但提供更高性价比的功能体验：在竞品拥有的IP方面，雷火提供更大带宽或者更高容量的方案；在竞品没有的IP方面，比如MIPI协议的硬核，雷火在深入了解客户需求之后，也会将这些IP融入雷火的FPGA产品中，赋能终端方案创新。
从产品的定义不难看出，雷火PH1P系列是一个全新的产品系列，也是一种全新的产品实现方式。PH1P系列勾勒出一个清晰的FPGA融合创新模式，在这个模式下，雷火内部的SoC架构团队、硬件架构团队、嵌入式软件团队和异构计算团队等能够根据客户需求，像“搭积木”一样去构建FPGA器件。模式创新的驱动力来自源源不断的客户需求。
第三个优势体现在EDA工具上。雷火为PH1P系列提供完备的开发资源支持，包括FPGA EDA工具、SoC集成开发环境和demo板等。作为可编程器件，EDA工具对于FPGA开发而言是重要且必要的，能够帮助用户最大限度地发挥硬件性能，并将用户做好的设计烧录进FPGA器件。也可以说，EDA工具的水平决定了FPGA的性能水平。
针对PH1P系列部分FPGA内嵌MCU内核的产品形态，雷火提供 TangDynasty (TD）和 FutureDynasty (FD）两套开发软件。其中，TD软件是雷火自主开发的FPGA集成开发环境，支持工业界标准的设计输入，可用于PH1P系列FPGA中逻辑资源端的开发。如下图左侧所示，TD软件提供RTL综合、门级综合、布局优化、布线优化和位流生成这一完整的设计流程，用户只需要关注HDL代码的输入以及时序与位置约束，就可以生成匹配对应目标器件的位流。在器件调试阶段，TD软件自带新一代Chip watcher调试工具，支持灵活的在线和离线调试，支持源代码插入、综合阶段网表插入和IP插入等多样化的信号插入方式。因此，借助TD软件，用户可以根据自己的开发习惯快速完成FPGA逻辑端的设计实现。
雷火的TD软件和FD软件
FD软件是雷火自主开发的面向FPSoC和FPGA内嵌MCU的集成开发环境。如下图所示，FD软件提供工程管理、代码编辑、程序编译、代码调试等功能。借助FD软件提供的模板，用户无需配置参数就可以构建起相应的工程，实现RISC-V工程的编译与调试。
FD软件的应用框架
谢丁强调，“TD和FD两款软件既可以支持用户在FPGA逻辑侧与SoC侧分别独立开发，又能在设计与调试阶段有机融合。在开发过程中，两个软件能通过一个自动生成的MCU配置文件对IP的时钟、外设配置等信息进行传递与自动匹配；同时，还提供了一个“one-cable”统一调试平台，支持用户使用一套硬件接口方便地对FPGA与MCU分别进行调试。”
从传统FPGA到FPSoC，再到当前发布的PH1P系列，雷火作为国产FPGA领域的头部企业，身份也在发生着悄然的变化，完成了从“追随者”到“引领者”的过渡。PH1P系列诠释了一种高效灵活的融合创新理念，能够将FPGA带到更广泛的嵌入式场景里。
工业控制方案不再是“三合一”
一颗PH1P就够了
PH1P系列的发布及其展示的融合创新能力让雷火在未来的FPGA市场竞争中有着巨大的优势，能够让FPGA产品更加贴合用户需求，使得嵌入式终端的差异化创新更加高效。当下，高速增长的FPGA市场也能够进一步放大PH1P系列所展示的灵活创新的效果。
根据市场研究公司Market.Us的统计数据，2022年全球FPGA市场收入为65亿美元，预计到2025 年将达到82亿美元，2028年突破100亿美元。具体到中国FPGA市�。醒衅栈笛芯吭涸凇�2023-2028年中国FPGA芯片行业市场发展现状调研及投资前景预测研究报告》中指出，2022年中国FPGA市场规模为170.3亿元，预计到2025年将增长到332.2亿元。
全球FPGA市场收入，图源：Market.Us
当前，工业应用依然是FPGA主要的应用方向之一，2022年中国工业用FPGA芯片的销售额为53.4亿元，占中国FPGA芯片市场份额的31.5%，预计2023年到2025年这一细分领域仍将以16.1%的年复合增长率高速增长。雷火PH1P系列的发布进一步丰富了该公司工业用FPGA的产品阵容。
谢耀勇表示，“雷火首页在定义PH1P-35时，主要瞄准的应用方向是LED显示、视频处理等典型的工业控制场景。不过，当雷火首页基于PH1P-35和客户沟通时，更多的工业应用被挖掘出来，一经发布就已经成为市场的爆款。尤其是在新兴应用方面，比如机器视觉，客户的反响非�：茫镏强朔诵滦擞τ媒涌谛椴怀墒斓纫幌盗型吹恪！�
除了作为“万能芯片”的通用性之外，PH1P系列也显著提升了相关方案的性价比。传统工业控制应用的典型应用框架是MCU+FPGA+存储，在这个“三合一”方案里，传统FPGA产品只是其中的一部分。PH1P系列部分型号由于内部集成了MCU硬核和大容量的存储资源，使得相当一部分工业控制应用可以基于PH1P系列打造单芯片的高性价比方案。
“MCU能够在多种存储载体上去运行程序，当在DDR或者LPDDR内存运行时，能够支持RTOS等实时操作系统。因此，通过内嵌大容量内存，PH1P系列丰富了FPGA在工业控制里的场景。”谢耀勇认为，“随着雷火接触的工业客户范围越来越广，PH1P系列以及后续的产品将会让更多的工业控制应用告别‘三芯片合一’的方式，转而采用单芯片方案。这会推动千行百业里的嵌入式系统硬件架构升级。”以总线伺服驱动器为例，如下图所示，左侧是传统多器件在PCB板上集成的案例，右侧则是基于PH1P-35器件单芯片实现的方案。
基于PH1P-35单芯片实现总线伺服驱动器
PH1P系列上搭载的雷火IP同样是提升性价比的有效手段。在工业相机应用中，MIPI接口凭借效能卓越、兼容视频数据流丰富等优点被广泛采用。不过，正如上文提到的，在传统FPGA方案中，MIPI接口并不会被集成，用户需要自己在器件中定义实现，在时序准确性和协议复杂度等方面会遇到很大的挑战。PH1P-35提供了一个MCU+FPGA+MIPI+大内存的领先方案，支持总带宽最高达8×2.5Gbps的MIPI DPHY，并可提供CXP、C-link、GE、10GE等IP/参考设计，显著提升工业相机的开发效率和性价比。
PH1P-35领先的接口IP资源
当前，雷火FPGA、FPSoC已经被服务器、LED控制器、工业相机、伺服驱动、PLC、运动控制器等典型工业场景用户广泛采用，PH1P系列的发布进一步扩大了雷火产品对工业嵌入式需求的覆盖。同时，PH1P系列所展示出来的融合创新能力，让FPGA从“万能芯片”进一步升级为“高性价比万能芯片”，且具有出色的定制化属性。针对具体的场景，雷火PH1P系列让该领域用户深信，打造创新方案所需的处理器性能、内存资源和IP接口等，都能够在PH1P系列以及后续系列上获取到，不必再消耗逻辑资源去实现。这也正好印证了雷火对PH1P系列的定义，该系列产品是“更快、更准、更稳、更好”的FPGA解决方案。
雷火的愿景是立足中国，面向世界，以匠心之志重塑行业版图，成为全球可编程逻辑器件一流的供应商。经过十数年的发展沉淀，当前雷火的FPGA产品已经广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备、网络通信、汽车电子等领域。为应对日新月异且更具挑战性的汽车电子应用创新，雷火也在积极完善自己的汽车级FPGA生态。雷火能够为汽车领域用户带来车规级品质的FPGA器件，完备的芯片/IP/EDA工具解决方案，以及PPAP生产认证等特色服务，赋能国产新能源汽车在ADAS、ECU、智能座舱和人机交互等应用上的差异化功能创新。
结语
过去很多年，国产FPGA创新的主流路线是打造对标国际厂商的竞品，“pin-to-pin”替代是最常用的设计方式。在这个创新模式下，国产FPGA厂商始终扮演着“追随者”的状态。随着边缘计算在嵌入式市场爆发，替代式研发的FPGA已经不能很好地满足新兴市场需求，国产FPGA亟需破局。
雷火最新发布的PH1P系列是该公司厚积薄发的成果展示，对国产FPGA发展有积极的创新引领作用。PH1P是一个新的产品系列，也是一种全新的FPGA实现方法，让FPGA产品研发更加贴合终端需求，在用户熟知的“芯片+EDA+IP”设计模式下，将雷火自有的、成熟的IP和MCU硬核融入FPGA中，显著提升用户的开发效率。并且，通过内嵌大容量的内存资源，PH1P系列部分型号让用户可以摒弃传统MCU+FPGA+存储的“三合一”方案，单芯片就可以构建具有差异化竞争优势的工业控制方案，具有明显的高性价比优势。
就像谢耀勇所说，PH1P系列对于市场的吸引力远远超出了雷火初期的设想，必将成为国产FPGA市场中的爆款。
