芯片,一个特别专业的领域,因为中美之间的贸易摩擦,走进大众视野。

 

在“华为风波”中,当海思亮出“备胎”的时候,国人除了兴奋,更是新增了一层担忧:哪些产品是我们?#36864;?#26089;早准备,但技术差距还比较大?

——FPGA! 答案跃然纸上

 


近日,在 36 期中国与世界经济论坛上,清华大学微电子学?#33455;?#25152;所长魏少军教授也强调到:“如果战略性芯片?#35272;?#36827;口,或将带来非常大的影响!”

 

什?#35789;?FPGA?

从定义上来讲,FPGA(Field Programmable Array),即现场可编程门阵列,是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上发展而来,属于集成电路中非常重要的门类之一,与微处理器、存储器、AD/DA 并称为四大核心器件。

 

目前,在芯片市场主要分为 CPUGPU、FPGA 与 ASIC 四大类型,在便利性、易用性、性能功耗及开发?#35759;?#31561;方面,各具有优缺点:

 

 

具体而言,CPU 和 GPU 由于引入了编译系统,可将高级的软件语言翻译成为机器可以识别的指令,从而带来?#24605;?#22823;的便利性和易用性。相反,FPGA 和 ASIC 芯片直接使用晶体管门电路实现运算,由于没有中间层级,晶体管的效率更好,但是也牺牲了部分便利性和易用性,且开发的?#35759;?#30456;对较高。

 

对于 FPGA 而言,其最大的特点就是可重复编程,灵活性上高于专用芯片 ASIC,性能和实时处理能力优于 CPU,常用于设计及验证?#26041;冢源思?#36895;产品的上市时间。但是由于其采用了软硬件一体化的架构,相对于 CPU 和 GPU 而言,编译?#35759;?#36739;高,应用开发门槛偏高,并不适合海量应用。

 

FPGA 国产化为何如?#22235;眩?/strong>

和任何新生事物一样,FPGA 从诞生到发展壮大,不可避免地都要经过艰难的历程。从发展的历程来看,FPGA 大致经历了以?#24405;?#20010;阶段:

 

1983-1992 年

发明时代:产品逻辑门数量和工艺不具备竞争优势,不受市场重视。

 

1992-1999 年

扩展时代:SRAM 制造工艺和 EDA 软件的引入,使得 FPGA 容量翻番?#32479;?#26412;减半,为大规模应用奠定基础。

 

2000-2007 年

积累时代:成功在数据通信市场打开局面,成为数字系统中的通用组件,并开?#21363;用?#38453;列向集成可编程逻辑的复杂系统过渡。

 

2008-2015 年

系统时代:为解决系统设计问题,FPGA 越来越多地整合系统模块和功能,并推动了各类工具的发展。

 

2015 年以后

智能时代:成为数据中心、人工智能的加速?#25945;ǎ?#22810;核异?#36141;?#33258;?#35270;?#35745;算?#25945;?#25104;为新的方向,软件开发者开始融入到 FPGA 的软硬件生态系统。

 

从发展历程来看,从 1984 年美国 Xilinx 公?#23601;?#20986;了全球第一款 FPGA 产品 XC2064 算起,之后十多年间 FPGA 并没有如预想般受市场青睐。由于进入的门槛高?#32479;中?#19981;断的研发投入,使得越来越多厂商在“尝鲜”之后,便匆?#20381;?#22330;。

 

历?#39134;?#30340; FPGA 公司

 

这 30 多年的发展,有 40 多家企业退出 FPGA 市场,其中?#29615;?#20687; TI、AMD、IBM、 Toshiba、Samsung、Motorola 这样的大公司。目前国外仅存四家 FPGA 公司,分别是 Xilinx、Intel、Lattice 和 Microsemi。除此之外,另外两家公司 Quicklogic 和 Archronix 仍在苦苦挣扎。

 

对于国内企业而言,想要在 FPGA 领域有所突破,必须得破解专利和生态?#38454;?#22823;山。

 

由于国外企业起步较早,Xilinx 和 Altera 两大巨头已经占据了 90%的市场份额,并且和 Lattice、Microsemi 等公司通过近 9000 项专利构筑了牢固的知识产权壁垒,对于后进入者设定了重重障碍,这?#24425;竅视?#20844;司进入 FPGA 领域的重要原因。

 

国内 FPGA 市场份额情况(来源:紫光同创)

 

直至 2010 年左右,随着 FPGA 部分专利技术开始到期,我国才出现?#24605;?#23478;采用正向设计的 FPGA 企业。但是此次全球 FPGA 产业格局已经基本确定,国内企业自成立之初,便面临着强大的生存挑战。据最新数据显示,2018 年全球 FPGA 市场约为 60 亿美元,中国市场占比 30%以上,Xilinx、Altera 和 Lattice 几乎完全垄断了中国市场,国产厂商占比非常低。

 

从产业链?#23884;?#32780;言,FPGA 涉及到单元架构、IP、EDA 软件、制程工艺、封装技术、专业人才等诸多方面,并且缺一不可。知名半导体专家(《芯事》作者)谢志峰博士也认为:“发展 FPGA 必须在硬件和软件两方面共同发展,如果国内芯片制程工艺达不到要求,FPGA 产业很难达到最先进的水平。”

 

FPGA 需要芯片、EDA 工具及 IP 完整生态

(来源:紫光同创)

 

虽然说在硬件设计上,通过架构的创新可以绕开国外巨头的技术封锁,但是在高端 EDA 软件方面,我国依然?#29616;匾览?#22269;外公司,因此也限制了国内 FPGA 产业的发展。?#23548;?#19978;?#24425;?#22914;此,在经过近 20 多年发展,国内企业仍只能够完成低密度产品的设计和制造,离数亿规模的高端产品还相差甚远。

 

此外,以 Xilinx 为代表的国外公司在中国市场已经深耕 20 多年,形成了非常强的产业生态,使得国内厂商进入的门槛异常高。由于 FPGA 产品的生命周期非常长,并且对于上游技术?#35272;?#24456;强,一旦使用很难实现完全替换。

 

这一点,复旦大学微电子学院副教授范益波?#37319;?#26377;感触:“在院校及科研应用领域,对 FPGA 性能要求比较高,目前主要采用 Xilinx 公司高端产品,国内 FPGA 企业?#36141;?#38590;涉足。而在通用 FPGA 领域,国外企业产品线已经非常完善,并且价格上也?#36824;螅?#22269;内产品想要实现替代是非常难的事情。”

 

范益波认为,虽然说国产 FPGA 面临的处境比较艰难,但是还必须得做。因为硬件的发展将带动配套软件的进步,如 EDA 设计软件,这?#24425;?#38750;常有战略意义的。

 

发展自主 FPGA 的战略意义

正如前文所言,我国 FPGA 虽然起步艰难,但是作为战略性芯片如果不能实现自主化,将?#29616;?#24433;响我国信息安全及未来科技发展。

 

?#32043;?#22312;军事国?#36182;?#29305;殊应用领域,虽然说 FPGA 的使用量占比不大,但?#23884;?#20110;产品的安全性和可靠性要求异常严苛,涉及到国?#37326;?#20840;和领土安全,广泛应用于航天、航空、电子、通信、雷达、高端波束形成系统等领域。据相关统计显示,国内 90%的大型军用电子设备都要用到 FPGA。

 

以大型相控阵雷达为例,需要通过不同的 T/R 组件构成处理单元,对信号进行放大、移相、衰减等,每个单元中都需要一个 FPGA。而在一个相控阵雷达系统中,这样单元数量往往达到数千个。如果不能够实现自主化,除了在供应上受制于人之外,还对国防安全带来巨大的安全隐患。

 

其次是 FPGA 最大的目标市场通信领域,目前全球正处于 4G 向 5G 发展的阶段。根据天风证券数据,一个 5G 基站对 FPGA 需求?#32771;?#20046;是一个 4G 基站需求量的两倍,使得 FPGA 的价值量比 4G 基站多大约 1000 美元。而随着海量 MIMO、云 RAN、RRU/BBU 的重构等,使得通信产业将经历较长时间的优化和迭代过程。

 

由于 FPGA 具有可编程特性,非常契合这一迭代过程,只需要升级通信协议即可满足迭代需求,在端到端网络线卡的包处理方案、背板互连,网络接口的帧生成器和 MAC 层通信管理 ,粘合逻辑、I/O 扩展,光传输,信源和信道编码 ,数字调制和扩频,CFR (Crest Factor Reduction) 峰值因数抑制,DPD (Digital Pre-Distortion) 数字预失真等方面?#21152;芯?#22823;的应用潜力。

 

全球 FPGA 市场规模(单位:百万美元,来源天风证券)

 

针对通信市场,紫光同?#35789;?#22330;总监吕喆认为:“通信市场历?#35789;?FPGA 的主要目标市场,份额超过 40%。虽然短期内,国产 FPGA 方案在逻辑规模和性能方面能够提供的支撑还有限,但 5G 带来的市场增量,确实是国产 FPGA 加速成长的一个机会。”

 

对于国内 FPGA 未来发展,吕喆充满信?#27169;?ldquo;随着摩尔定律的逐渐失效,像 FPGA 这种通用型芯片?#25945;ǎ?#36890;过工?#25112;?#28857;的演进来大幅提升性能和降低功耗的路径,将会越来越艰难,而应用驱动下的架构创新,可能会成为未来国产 FPGA 弯道超车的机会。”

 

与此同时,在新兴应用芯片设计方面,FPGA 早已经被证实是芯片设计验证阶段的?#32043;?#26041;案。目前国内人工智能等新兴产业发展迅猛,为了快速实现产?#39134;?#24066;和降低研发风险,企业往往通过采购国外高端 FPGA 进行验证及仿真,以提升芯片流片的成功率。

 

但是,在人工智能、自动驾驶、5G 等新兴应用领域,国内高端 FPGA 产品仍?#29616;匾览?#36827;口。在中美科技竞争频繁发生的背景下,如果不加大力度发展自主 FPGA 产业,未来在高科技领域也将受制于人。

 

如何破解国内 FPGA 产业困境?

由于 FPGA 行业技术门槛高、国内专利人才缺乏、投资回报周期很长、风险高等因素,资本市场对 FPGA 关注相对较少,国内 FPGA 企业普遍面临着“生存挑战”,国内企业在软硬件投入方面往往力不从心。

 

据公开资料显示,中国领军企业紫光同创每年科?#22411;?#20837;已超过 2 亿元,但与全球领军企业 Xilinx 每年 5 亿美金的科?#22411;?#20837;相比,还差距太大!面对国外企业在技术和生态方面的垄断,单靠国内个别企业力量想要实现 FPGA 的突破,几乎是不可能完成的任务。

 

“从根本上来讲,国内 FPGA 产业想要打破对国外的?#35272;担?#36991;免被‘卡脖子’,需要政府牵头才行。”范益波副教授指出:“如果单靠企业自主投资,基本上是不现实的,政府应该加大在 FPGA 领域的投入。”

 

在 FPGA 专业人才方面,我国还非常稀缺。据相关统计,美国从事 FPGA 产业的专业人员数量超过 1 万人。以 Xilinx 公司为例,其员工超过 3000 人,研发人员就达到 1500 人。而中国从事 FPGA 产业的人员加起来,总共才 1000 人左右,差距非常明显。

 

为了推广国产 FPGA 品牌和培育未?#35789;?#22330;,紫光同创启动了高校“雏鹰计划”,开展了一系列走进大学校园活动,并支持了多项全国大学生 FPGA 竞赛。但生态系统的建立是一个持久战,绝非三五年时间可以立竿见影的,国内企业要走的道路?#36141;?#38271;。

 

在专业人才方面,半导体应用联盟秘书长?#38556;?#33459;也认为:“由于 FPGA 编程技术比较专业,国内大部分工程师都不懂,这也限制了产业的发展。我认为需要建立一个专门的机构,协助使用单位编程及使用,加大 FPGA 的相关培训力度。”

 

而对于应用端而言,面对贸易竞争的不确定性,应该更为积极地采用国产 FPGA 产品,以保障供应链的安全性。企业可以采用“双供应链”的策略,逐步导入国产 FPGA 产品,?#28304;思?#36895;国内 FPGA 产业进入正循环。

 

根据统计数据显示,中国 FPGA 市场规模已经达到 18 亿美元,相当于 120 亿人民币规模。其中,政府部门国产应用率还不足 30%,商用市场国产?#21152;新?#26356;是可以忽略不计。

 

对于国产 FPGA 产业而言,除了?#20013;?#19981;断的投入之外,还需要通过政府采购、鼓励企业使用等措施,加快国产产品更新迭代的进程。只有真正的“用起来”,国内 FPGA 产业才能迈出关键的第一步!

 

面对国产化的难题,吕喆则建议:“差距是非常明显的而且是全方位的。?#24335;稹?#20154;才、以及与系统厂商的良性互动都是宏观层面非常重要的推动因素,从企业自身?#23884;?#26469;?#25285;?#20570;好产品规划、深耕行业市场、拓展开发生态是紫光同?#35789;?#22330;工作的重点,这是一项长期工作,任重道远。”

 

写在最后:

经过 20 多年的发展,国内 FPGA 产业已经初具规模,在消费电子、LED、工业、通信等应用领域也开始慢慢运用起来,实现了部分国外产品替代。

 

这是一个非常好的开端,但是需要追赶的距离?#36141;?#36965;远,政府及应用端对这一战略芯片还需要?#20013;?#19981;断的投入和支持!