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一顆小小芯片,為何中國二十多年都還沒有搞定?

芯片,一個特別專業的領域,因為中美之間的貿易摩擦,走進大眾視野。

在“華為風波”中,當海思亮出“備胎”的時候,國人除了興奮,更是新增了一層擔憂:哪些產品是我們就算早早準備,但技術差距還比較大?

——FPGA! 答案躍然紙上

近日,在36期中國與世界經濟論壇上,清華大學微電子學研究所所長魏少軍教授也強調到:“如果戰略性芯片依賴進口,或將帶來非常大的影響!”

什麽是FPGA?

從定義上來講,FPGA(Field Programmable Array),即現場可編程門陣列,是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上發展而來,屬於集成電路中非常重要的門類之一,與微處理器、記憶體、AD/DA並稱為四大核心器件

目前,在芯片市場主要分為CPU、GPU、FPGA與ASIC四大類型,在便利性、易用性、性能功耗及開發難度等方面,各具有優缺點:

具體而言,CPU和GPU由於引入了編譯系統,可將高級的軟體語言翻譯成為機器可以識別的指令,從而帶來了極大的便利性和易用性。相反,FPGA和ASIC芯片直接使用晶體管門電路實現運算,由於沒有中間層級,晶體管的效率更好,但是也犧牲了部分便利性和易用性,且開發的難度相對較高。

對於FPGA而言,其最大的特點就是可重複編程,靈活性上高於專用芯片ASIC,性能和實時處理能力優於CPU,常用於設計及驗證環節,以此加速產品的上市時間。但是由於其採用了軟硬體一體化的架構,相對於CPU和GPU而言,編譯難度較高,應用開發門檻偏高,並不適合海量應用。

FPGA國產化為何如此難?

和任何新生事物一樣,FPGA從誕生到發展壯大,不可避免地都要經過艱難的歷程。從發展的歷程來看,FPGA大致經歷了以下幾個階段:

1983-1992年

發明時代:產品邏輯門數量和工藝不具備競爭優勢,不受市場重視。

1992-1999年

擴展時代:SRAM製造工藝和EDA軟體的引入,使得FPGA容量翻番和成本減半,為大規模應用奠定基礎。

2000-2007年

積累時代:成功在數據通信市場打開局面,成為數字系統中的通用組件,並開始從門陣列向集成可編程邏輯的複雜系統過渡。

2008-2015年

系統時代:為解決系統設計問題,FPGA越來越多地整合系統模塊和功能,並推動了各類工具的發展。

2015年以後

智能時代:成為數據中心、人工智能的加速平台,多核異構和自適應計算平台成為新的方向,軟體開發者開始融入到FPGA的軟硬體生態系統。

從發展歷程來看,從1984年美國Xilinx公司推出了全球第一款FPGA產品XC2064算起,之後十多年間FPGA並沒有如預想般受市場青睞。由於進入的門檻高和持續不斷的研發投入,使得越來越多廠商在“嘗鮮”之後,便匆匆離場

歷史上的FPGA公司

這30多年的發展,有40多家企業退出FPGA市場,其中不乏像TI、AMD、IBM、 Toshiba、Samsung、Motorola這樣的大公司。目前國外僅存四家FPGA公司,分別是Xilinx、Intel、Lattice和Microsemi。除此之外,另外兩家公司Quicklogic和Archronix仍在苦苦掙扎。

對於國內企業而言,想要在FPGA領域有所突破,必須得破解專利和生態兩座大山。

由於國外企業起步較早,Xilinx和Altera兩大巨頭已經佔據了90%的市場份額,並且和Lattice、Microsemi等公司通過近9000項專利構築了牢固的知識產權壁壘,對於後進入者設定了重重障礙,這也是鮮有公司進入FPGA領域的重要原因。

國內FPGA市場份額情況(來源:紫光同創)

直至2010年左右,隨著FPGA部分專利技術開始到期,我國才出現了幾家採用正向設計的FPGA企業。但是此次全球FPGA產業格局已經基本確定,國內企業自成立之初,便面臨著強大的生存挑戰。據最新數據顯示,2018年全球FPGA市場約為60億美元,中國市場佔比30%以上,Xilinx、Altera和Lattice幾乎完全壟斷了中國市場,國產廠商佔比非常低。

從產業鏈角度而言,FPGA涉及到單元架構、IP、EDA軟體、製程工藝、封裝技術、專業人才等諸多方面,並且缺一不可。知名半導體專家(《芯事》作者)謝志峰博士也認為:“發展FPGA必須在硬體和軟體兩方面共同發展,如果國內芯片製程工藝達不到要求,FPGA產業很難達到最先進的水準。”

FPGA需要芯片、EDA工具及IP完整生態

(來源:紫光同創)

雖然說在硬體設計上,通過架構的創新可以繞開國外巨頭的技術封鎖,但是在高端EDA軟體方面,我國依然嚴重依賴國外公司,因此也限制了國內FPGA產業的發展。實際上也是如此,在經過近20多年發展,國內企業仍只能夠完成低密度產品的設計和製造,離數億規模的高端產品還相差甚遠。

此外,以Xilinx為代表的國外公司在中國市場已經深耕20多年,形成了非常強的產業生態,使得國內廠商進入的門檻異常高。由於FPGA產品的生命周期非常長,並且對於上遊技術依賴很強,一旦使用很難實現完全替換

這一點,複旦大學微電子學院副教授范益波也深有感觸:“在院校及科研應用領域,對FPGA性能要求比較高,目前主要採用Xilinx公司高端產品,國內FPGA企業還很難涉足。而在通用FPGA領域,國外企業產品線已經非常完善,並且價格上也不貴,國內產品想要實現替代是非常難的事情。”

范益波認為,雖然說國產FPGA面臨的處境比較艱難,但是還必須得做。因為硬體的發展將帶動配套軟體的進步,如EDA設計軟體,這也是非常有戰略意義的。

發展自主FPGA的戰略意義

正如前文所言,我國FPGA雖然起步艱難,但是作為戰略性芯片如果不能實現自主化,將嚴重影響我國信息安全及未來科技發展

首先在軍事國防等特殊應用領域,雖然說FPGA的使用量佔比不大,但是對於產品的安全性和可靠性要求異常嚴苛,涉及到國家安全和領土安全,廣泛應用於航天、航空、電子、通信、雷達、高端波束形成系統等領域。據相關統計顯示,國內90%的大型軍用電子設備都要用到FPGA。

以大型相控陣雷達為例,需要通過不同的T/R組件構成處理單元,對信號進行放大、移相、衰減等,每個單元中都需要一個FPGA。而在一個相控陣雷達系統中,這樣單元數量往往達到數千個。如果不能夠實現自主化,除了在供應上受製於人之外,還對國防安全帶來巨大的安全隱患。

其次是FPGA最大的目標市場通信領域,目前全球正處於4G向5G發展的階段。根據天風證券數據,一個5G基地台對FPGA需求量幾乎是一個4G 基地台需求量的兩倍,使得FPGA的價值量比4G基地台多大約1000美元。而隨著海量MIMO、雲RAN、RRU/BBU的重構等,使得通信產業將經歷較長時間的優化和迭代過程。

由於FPGA具有可編程特性,非常契合這一迭代過程,只需要升級通信協議即可滿足迭代需求,在端到端網絡線卡的包處理方案、背板互連,網絡接口的幀生成器和MAC層通信管理 ,粘合邏輯、I/O擴展,光傳輸,信源和信道編碼 ,數字調製和擴頻,CFR (Crest Factor Reduction) 峰值因數抑製,DPD (Digital Pre-Distortion) 數字預失真等方面都有巨大的應用潛力。

全球FPGA市場規模(部門:百萬美元,來源天風證券)

針對通信市場,紫光同創市場總監呂喆認為:“通信市場歷來是FPGA的主要目標市場,份額超過40%。雖然短期內,國產FPGA方案在邏輯規模和性能方面能夠提供的支撐還有限,但5G帶來的市場增量,確實是國產FPGA加速成長的一個機會。”

對於國內FPGA未來發展,呂喆充滿信心:“隨著摩爾定律的逐漸失效,像FPGA這種通用型芯片平台,通過工藝節點的演進來大幅提升性能和降低功耗的路徑,將會越來越艱難,而應用驅動下的架構創新,可能會成為未來國產FPGA彎道超車的機會。”

與此同時,在新興應用芯片設計方面,FPGA早已經被證實是芯片設計驗證階段的首先方案。目前國內人工智能等新興產業發展迅猛,為了快速實現產品上市和降低研發風險,企業往往通過採購國外高端FPGA進行驗證及仿真,以提升芯片流片的成功率。

但是,在人工智能、自動駕駛、5G等新興應用領域,國內高端FPGA產品仍嚴重依賴進口。在中美科技競爭頻繁發生的背景下,如果不加大力度發展自主FPGA產業,未來在高科技領域也將受製於人。

如何破解國內FPGA產業困境?

由於FPGA行業技術門檻高、國內專利人才缺乏、投資回報周期很長、風險高等因素,資本市場對FPGA關注相對較少,國內FPGA企業普遍面臨著“生存挑戰”,國內企業在軟硬體投入方面往往力不從心。

據公開資料顯示,中國領軍企業紫光同創每年科研投入已超過2億元,但與全球領軍企業Xilinx每年5億美金的科研投入相比,還差距太大!面對國外企業在技術和生態方面的壟斷,單靠國內個別企業力量想要實現FPGA的突破,幾乎是不可能完成的任務。

“從根本上來講,國內FPGA產業想要打破對國外的依賴,避免被‘卡脖子’,需要政府牽頭才行。”范益波副教授指出:“如果單靠企業自主投資,基本上是不現實的,政府應該加大在FPGA領域的投入。”

在FPGA專業人才方面,我國還非常稀缺。據相關統計,美國從事FPGA產業的專業人員數量超過1萬人。以Xilinx公司為例,其員工超過3000人,研發人員就達到1500人。而中國從事FPGA產業的人員加起來,總共才1000人左右,差距非常明顯。

為了推廣國產FPGA品牌和培育未來市場,紫光同創啟動了高校“雛鷹計劃”,開展了一系列走進大學校園活動,並支持了多項全國大學生FPGA競賽。但生態系統的建立是一個持久戰,絕非三五年時間可以立竿見影的,國內企業要走的道路還很長。

在專業人才方面,半導體應用聯盟秘書長陶顯芳也認為:“由於FPGA編程技術比較專業,國內大部分工程師都不懂,這也限制了產業的發展。我認為需要建立一個專門的機構,協助使用部門編程及使用,加大FPGA的相關培訓力度。”

而對於應用端而言,面對貿易競爭的不確定性,應該更為積極地採用國產FPGA產品,以保障供應鏈的安全性。企業可以採用“雙供應鏈”的策略,逐步導入國產FPGA產品,以此加速國內FPGA產業進入正循環。

根據統計數據顯示,中國FPGA市場規模已經達到18億美元,相當於120億人民幣規模。其中,政府部門國產應用率還不足30%,商用市場國產佔有率更是可以忽略不計。

對於國產FPGA產業而言,除了持續不斷的投入之外,還需要通過政府採購、鼓勵企業使用等措施,加快國產產品更新迭代的進程。只有真正的“用起來”,國內FPGA產業才能邁出關鍵的第一步!

面對國產化的難題,呂喆則建議:“差距是非常明顯的而且是全方位的。資金、人才、以及與系統廠商的良性互動都是宏觀層面非常重要的推動因素,從企業自身角度來說,做好產品規劃、深耕行業市場、拓展開發生態是紫光同創市場工作的重點,這是一項長期工作,任重道遠。

寫在最後:

經過20多年的發展,國內FPGA產業已經初具規模,在消費電子、LED、工業、通信等應用領域也開始慢慢運用起來,實現了部分國外產品替代。

這是一個非常好的開端,但是需要追趕的距離還很遙遠,政府及應用端對這一戰略芯片還需要持續不斷的投入和支持!

您認為國產FPGA的機會在哪裡?

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