一顆小小的FPGA芯片為什么中國(guó)一直搞不定

芯片，一個(gè)特別專業(yè)的領(lǐng)域，因?yàn)橹忻乐g的貿(mào)易摩擦，走進(jìn)大眾視野。在“華為風(fēng)波”中，當(dāng)海思亮出“備胎”的時(shí)候，國(guó)人除了興奮，更是新增了一層擔(dān)憂：哪些產(chǎn)品是我們就算早早準(zhǔn)備，但技術(shù)差距還比較大？——FPGA! 答案躍然紙上。

對(duì)于FPGA而言，其最大的特點(diǎn)就是可重復(fù)編程，靈活性上高于專用芯片ASIC，性能和實(shí)時(shí)處理能力優(yōu)于CPU，常用于設(shè)計(jì)及驗(yàn)證環(huán)節(jié)，以此加速產(chǎn)品的上市時(shí)間。但是由于其采用了軟硬件一體化的架構(gòu)，相對(duì)于CPU和GPU而言，編譯難度較高，應(yīng)用開發(fā)門檻偏高，并不適合海量應(yīng)用。由于國(guó)外企業(yè)起步較早，Xilinx和Altera兩大巨頭已經(jīng)占據(jù)了90%的市場(chǎng)份額，并且和Lattice、Microsemi等公司通過(guò)近9000項(xiàng)專利構(gòu)筑了牢固的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，對(duì)于后進(jìn)入者設(shè)定了重重障礙，這也是鮮有公司進(jìn)入FPGA領(lǐng)域的重要原因。

直至2010年左右，隨著FPGA部分專利技術(shù)開始到期，我國(guó)才出現(xiàn)了幾家采用正向設(shè)計(jì)的FPGA企業(yè)。但是此次全球FPGA產(chǎn)業(yè)格局已經(jīng)基本確定，國(guó)內(nèi)企業(yè)自成立之初，便面臨著強(qiáng)大的生存挑戰(zhàn)。據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，2018年全球FPGA市場(chǎng)約為60億美元，中國(guó)市場(chǎng)占比30%以上，Xilinx、Altera和Lattice幾乎完全壟斷了中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)廠商占比非常低。

雖然說(shuō)在硬件設(shè)計(jì)上，通過(guò)架構(gòu)的創(chuàng)新可以繞開國(guó)外巨頭的技術(shù)封鎖，但是在高端EDA軟件方面，我國(guó)依然嚴(yán)重依賴國(guó)外公司，因此也限制了國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。實(shí)際上也是如此，在經(jīng)過(guò)近20多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍只能夠完成低密度產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，離數(shù)億規(guī)模的高端產(chǎn)品還相差甚遠(yuǎn)。

首先在特殊應(yīng)用領(lǐng)域，雖然說(shuō)FPGA的使用量占比不大，但是對(duì)于產(chǎn)品的安全性和可靠性要求異常嚴(yán)苛，涉及到國(guó)家安全，廣泛應(yīng)用于航天、航空、電子、通信、高端波束形成系統(tǒng)等領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，國(guó)內(nèi)90%的大型電子設(shè)備都要用到FPGA。

以大型相控陣系統(tǒng)為例，需要通過(guò)不同的T/R組件構(gòu)成處理單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、移相、衰減等，每個(gè)單元中都需要一個(gè)FPGA。而在一個(gè)相控陣系統(tǒng)中，這樣單元數(shù)量往往達(dá)到數(shù)千個(gè)。如果不能夠?qū)崿F(xiàn)自主化，除了在供應(yīng)上受制于人之外，還帶來(lái)巨大的安全隱患。

其次是FPGA最大的目標(biāo)市場(chǎng)通信領(lǐng)域，目前全球正處于4G向5G發(fā)展的階段。根據(jù)天風(fēng)證券數(shù)據(jù)，一個(gè)5G基站對(duì)FPGA需求量幾乎是一個(gè)4G 基站需求量的兩倍，使得FPGA的價(jià)值量比4G基站多大約1000美元。而隨著海量MIMO、云RAN、RRU/BBU的重構(gòu)等，使得通信產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的優(yōu)化和迭代過(guò)程。

由于FPGA具有可編程特性，非常契合這一迭代過(guò)程，只需要升級(jí)通信協(xié)議即可滿足迭代需求，在端到端網(wǎng)絡(luò)線卡的包處理方案、背板互連，網(wǎng)絡(luò)接口的幀生成器和MAC層通信管理 ，粘合邏輯、I/O擴(kuò)展，光傳輸，信源和信道編碼 ，數(shù)字調(diào)制和擴(kuò)頻，CFR (Crest Factor Reduction) 峰值因數(shù)抑制，DPD (Digital Pre-Distortion) 數(shù)字預(yù)失真等方面都有巨大的應(yīng)用潛力。

與此同時(shí)，在新興應(yīng)用芯片設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)PGA早已經(jīng)被證實(shí)是芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的首先方案。目前國(guó)內(nèi)人工智能等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，為了快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市和降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)往往通過(guò)采購(gòu)國(guó)外高端FPGA進(jìn)行驗(yàn)證及仿真，以提升芯片流片的成功率。

但是，在人工智能、自動(dòng)駕駛、5G等新興應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)高端FPGA產(chǎn)品仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口。在中美科技競(jìng)爭(zhēng)頻繁發(fā)生的背景下，如果不加大力度發(fā)展自主FPGA產(chǎn)業(yè)，未來(lái)在高科技領(lǐng)域也將受制于人。由于FPGA行業(yè)技術(shù)門檻高、國(guó)內(nèi)專利人才缺乏、投資回報(bào)周期很長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高等因素，資本市場(chǎng)對(duì)FPGA關(guān)注相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)FPGA企業(yè)普遍面臨著“生存挑戰(zhàn)”，國(guó)內(nèi)企業(yè)在軟硬件投入方面往往力不從心。

據(jù)公開資料顯示，中國(guó)領(lǐng)軍企業(yè)紫光同創(chuàng)每年科研投入已超過(guò)2億元，但與全球領(lǐng)軍企業(yè)Xilinx每年5億美金的科研投入相比，還差距太大！面對(duì)國(guó)外企業(yè)在技術(shù)和生態(tài)方面的壟斷，單靠國(guó)內(nèi)個(gè)別企業(yè)力量想要實(shí)現(xiàn)FPGA的突破，幾乎是不可能完成的任務(wù)。

而對(duì)于應(yīng)用端而言，面對(duì)貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)的不確定性，應(yīng)該更為積極地采用國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品，以保障供應(yīng)鏈的安全性。企業(yè)可以采用“雙供應(yīng)鏈”的策略，逐步導(dǎo)入國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品，以此加速國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)進(jìn)入正循環(huán)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到18億美元，相當(dāng)于120億人民幣規(guī)模。其中，政府部門國(guó)產(chǎn)應(yīng)用率還不足30%，商用市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)占有率更是可以忽略不計(jì)。對(duì)于國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)而言，除了持續(xù)不斷的投入之外，還需要通過(guò)政府采購(gòu)、鼓勵(lì)企業(yè)使用等措施，加快國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品更新迭代的進(jìn)程。只有真正的“用起來(lái)”，國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)才能邁出關(guān)鍵的第一步！