一颗小小的FPGA芯片

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：哪些产品是我们就算早早准备，但技术差距还比较大？——FPGA! 答案跃然纸上。
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，常用于设计及验证环节，以此加速产品的上市时间。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，编译难度较高，应用开发门槛偏高，并不适合海量应用。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，这也是鲜有公司进入FPGA领域的重要原因。
直至2010年左右，随着FPGA部分专利技术开始到期，我国才出现了几家采用正向设计的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。
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，我国依然严重依赖国外公司，因此也限制了国内FPGA产业的发展。实际上也是如此，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。
首先在特殊应用领域，虽然说FPGA的使用量占比不大，但是对于产品的安全性和可靠性要求异常严苛，涉及到国家安全，广泛应用于航天、航空、电子、通信、高端波束形成系统等领域。据相关统计显示，国内90%的大型电子设备都要用到FPGA。


以大型相控阵系统为例，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需求量几乎是一个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) 数字预失真等方面都有巨大的应用潜力。
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首先方案。目前国内人工智能等新兴产业发展迅猛，为了快速实现产品上市和降低研发风险，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产品仍严重依赖进口。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。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研投入已超过2亿元，但与全球领军企业Xilinx每年5亿美金的科研投入相比，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。
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，以此加速国内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%，商用市场国产占有率更是可以忽略不计。对于国产FPGA产业而言，除了持续不断的投入之外，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！

一颗小小的FPGA芯片