一颗小小芯片,为何中国二十多年都还没有搞定?

2019-07-26

文章来自—转载芯师爷


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:

 

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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。

 

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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。

 

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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。”

 

 

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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,还对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。

 

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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!

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