华为风波背后的思考，国产 FPGA 如何破解困境？

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




近日，在 36 期中国与世界经济论坛上，清华大学微电子学研究所所长魏少军教授也强调到：“如果战略性芯片依赖进口，或将带来非常大的影响！”



什么是 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 CPU、GPU、FPGA 与 ASIC 四大类型，在便利性、易用性、性能功耗及开发难度等方面，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，从而带来了极大的便利性和易用性。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，且开发的难度相对较高。



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。



FPGA 国产化为何如此难？

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 大致经历了以下几个阶段：



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 容量翻番和成本减半，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，并开始从门阵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、人工智能的加速平台，多核异构和自适应计算平台成为新的方向，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 公司推出了全球第一款 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。由于进入的门槛高和持续不断的研发投入，使得越来越多厂商在“尝鲜”之后，便匆匆离场。



历史上的 FPGA 公司



这 30 多年的发展，有 40 多家企业退出 FPGA 市场，其中不乏像 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两座大山。



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，这也是鲜有公司进入 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。



从产业链角度而言，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。



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，并且对于上游技术依赖很强，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也深有感触：“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 企业还很难涉足。而在通用 FPGA 领域，国外企业产品线已经非常完善，并且价格上也不贵，国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，这也是非常有战略意义的。



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，将严重影响我国信息安全及未来科技发展。



首先在军事国防等特殊应用领域，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。



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，紫光同创市场总监吕喆认为：“通信市场历来是 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，吕喆充满信心：“随着摩尔定律的逐渐失效，像 FPGA 这种通用型芯片平台，通过工艺节点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。



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。



“从根本上来讲，国内 FPGA 产业想要打破对国外的依赖，避免被‘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 品牌和培育未来市场，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还很长。



在专业人才方面，半导体应用联盟秘书长陶显芳也认为：“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，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！



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。资金、人才、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，从企业自身角度来说，做好产品规划、深耕行业市场、拓展开发生态是紫光同创市场工作的重点，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还很遥远，政府及应用端对这一战略芯片还需要持续不断的投入和支持！

华为风波背后的思考，国产 FPGA 如何破解困境？

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