國(guó)產(chǎn)FPGA夾縫中求生存，何時(shí)才能逆勢(shì)崛起

　　目前，國(guó)產(chǎn)CPU已經(jīng)逐漸代替國(guó)外CPU，但FPGA卻仍然完全依賴從美國(guó)進(jìn)口，這對(duì)中國(guó)國(guó)防安全是一個(gè)非常大的隱患——因?yàn)槿绻麤]有FPGA，90%以上的軍用電子設(shè)備將成為電子垃圾。

　　隨著PC和智能手機(jī)的普及，相信很多人都或多或少了解，什么CPU(中央處理器)和GPU(圖形處理器)，但你可能不知道，在芯片領(lǐng)域，還有另外一種鮮為人知的芯片——FPGA。

　　無(wú)論是在軍事領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域都頗具意義。不僅90%的大型軍用電子設(shè)備都要用到FPGA，在即將到來(lái)的5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等民用領(lǐng)域，F(xiàn)PGA也有非常大的潛力。

　　而恰恰是這樣一款重要的芯片，中國(guó)卻基本依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)FPGA在中國(guó)市場(chǎng)的占有率僅為2%，即便是很多軍用的高端FPGA，也基本依賴于進(jìn)口，這究竟是怎么回事呢?

　　FPGA是什么?

　　如果用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)正式介紹，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。用普通人能聽懂的話來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)允許你在上面編程的芯片。編程完之后，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)特殊的硬件加速算法，比如精確制導(dǎo)武器上的地圖匹配。

　　如果還是不懂，沒關(guān)系，我們舉些應(yīng)用的例子，來(lái)看看它能干什么吧。

　　比如，在軍事國(guó)防領(lǐng)域，F(xiàn)PGA被運(yùn)用于航天、航空、電子、通信、雷達(dá)、高端波束形成系統(tǒng)等領(lǐng)域，在各種軍用電子設(shè)備中也經(jīng)常會(huì)有FPGA的身影。

　　以相位控制電子掃描陣列雷達(dá)(相控陣?yán)走_(dá))為例，一個(gè)大型相控陣?yán)走_(dá)有幾千個(gè)TR組件(看不懂沒關(guān)系，知道它是雷達(dá)的一個(gè)極為關(guān)鍵的部件就行)，幾個(gè)TR組件組成一個(gè)小的處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和預(yù)處理，而每個(gè)單元就含一個(gè)FPGA芯片。

　　另外，對(duì)夜戰(zhàn)非常重要的紅外設(shè)備也離不開FPGA。美國(guó)國(guó)防后勤局就曾采購(gòu)過(guò)美國(guó)賽靈思公司的FPGA用于監(jiān)視、偵察和火控系統(tǒng)中紅外傳感器的數(shù)據(jù)處理。

　　除了被廣泛運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片在民用市場(chǎng)也頗具潛力，應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。比如即將到來(lái)的5G通信，通信基站其實(shí)就是一個(gè)小相控陣，這就必須采用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　現(xiàn)有的通信設(shè)備也離不開FPGA，比如前段時(shí)間美國(guó)制裁中興通訊，F(xiàn)PGA也位列制裁名單之上，而華為和中興所需的FPGA大多依賴于從賽靈思和阿爾特拉等美國(guó)公司進(jìn)口。

　　在醫(yī)療領(lǐng)域，F(xiàn)PGA則被用于聲波檢測(cè)儀、CT掃描儀、核磁共振、x射線等各種設(shè)備上。在消費(fèi)品電子、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、機(jī)器人、數(shù)據(jù)挖掘、工控等領(lǐng)域，F(xiàn)PGA也扮演著重要角色。隨著機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛、5G通信的興起，市場(chǎng)前景會(huì)越來(lái)越好。根據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，從2014年到2023年，F(xiàn)PGA的年均增長(zhǎng)率達(dá)7%。

　　可以說(shuō)，幾乎你能見到和見不到的大部分電子設(shè)備中，都有FPGA芯片這么個(gè)玩意兒。

　　為何研發(fā)難度高

　　目前全球的FPGA市場(chǎng)，基本被前面提到的兩家美國(guó)公司壟斷——賽靈思和阿爾特拉。在過(guò)去十多年里，英特爾、IBM、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等其他60多家公司都曾試圖涉足FPGA領(lǐng)域，但紛紛慘敗。這其中的原因就在于FPGA的進(jìn)入門檻極高。

　　有多高?

　　一是專利技術(shù)壁壘。賽靈思從上世紀(jì)80年代開始做FPGA，在30多年時(shí)間里積累了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在該領(lǐng)域有異常雄厚的技術(shù)底蘊(yùn)，并與阿爾特拉、萊迪思、美高森美等公司用近9000項(xiàng)專利構(gòu)筑的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，很大程度上堵死了后來(lái)者追趕的道路。即便是強(qiáng)如英特爾，最后也是以耗資167億美元收購(gòu)阿爾特拉獲得了FPGA領(lǐng)域的入場(chǎng)券，而非通過(guò)自主技術(shù)研發(fā)在FPGA領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。

　　二是市場(chǎng)相對(duì)偏小。全球FPGA市場(chǎng)總額僅為50億美元，而英特爾在2015年第四季度的營(yíng)業(yè)收入就達(dá)149億美元。相對(duì)偏小的市場(chǎng)份額很難養(yǎng)活太多的大公司，必然導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，僅僅少數(shù)佼佼者才能生存下來(lái)。

　　三是用戶對(duì)FPGA性能要求高。FPGA很大一部分場(chǎng)景是做一些芯片模擬工作，使用者在其基礎(chǔ)上做編程，必然會(huì)有很大性能損失，在性能降低了很多以后，還要和CPU等芯片去匹配，使用戶會(huì)對(duì)FPGA的性能有著越高越好的要求。另外，在軍用領(lǐng)域，雖然局部場(chǎng)景對(duì)FPGA性能要求不高，國(guó)內(nèi)反向設(shè)計(jì)的FPGA也能滿足使用需求，但也有很多場(chǎng)景對(duì)FPGA性能也有著非常高的要求。

　　同時(shí)，賽靈思、阿爾特拉等巨頭在技術(shù)上處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，其FPGA產(chǎn)品往往采用最先進(jìn)的工藝，并且將工藝的潛力挖的很透，而后來(lái)的追趕者則沒有這個(gè)條件和技術(shù)實(shí)力，導(dǎo)致性能上大幅遜色于兩大巨頭。

　　具體來(lái)說(shuō)，賽靈思和阿爾特拉的FPGA已經(jīng)開始著手采用最先進(jìn)的14/16nm工藝，而國(guó)內(nèi)FPGA廠商根本無(wú)力承擔(dān)采用先進(jìn)制程工藝的高昂成本。

　　加上掌握最先進(jìn)制造工藝的為英特爾、臺(tái)積電、三星等對(duì)中國(guó)大陸IC設(shè)計(jì)公司使用最先進(jìn)工藝有很多限制——買IP做集成可以，但如果是自主研發(fā)的IP，則會(huì)有很多限制，如果有軍民兩用潛力，限制就更多了。這致使國(guó)內(nèi)FPGA廠商大多采用40/55nm工藝，在制造工藝上就處于先天劣勢(shì)。

　　因此，除了囊中羞澀的用戶，或定位于工控等對(duì)性能要求有限的特殊情況，大部分用戶對(duì)FPGA的需求是性能越高越好，這樣就會(huì)使國(guó)內(nèi)如京微雅格等FPGA廠商即便開發(fā)出廉價(jià)的中低端產(chǎn)品，也會(huì)因性能差距而被很多潛在用戶拋棄。

　　正是因?yàn)榇嬖谶@種現(xiàn)象，F(xiàn)PGA的研發(fā)難度比CPU還要高。

　　在CPU方面，企業(yè)如果做不了高性能的桌面或服務(wù)器CPU，還可以做做低功耗嵌入式芯片“曲線救國(guó)”。

　　比如如今在智能手機(jī)芯片領(lǐng)域呼風(fēng)喚雨的ARM，就是依靠深耕嵌入式芯片領(lǐng)域，并最終發(fā)展壯大羽翼豐滿，甚至隱隱威脅到了英特爾的地位;國(guó)產(chǎn)的龍芯也可以在高性能芯片無(wú)力與Intel抗衡的情況下，依靠做嵌入式芯片實(shí)現(xiàn)自給自足、自負(fù)盈虧。

　　而FPGA則不然，除了工控等一些特殊場(chǎng)景之外，其他FPGA芯片廠商很多時(shí)候上必須一開始就和賽靈思、阿爾特拉、萊迪思短兵相接拼性能。

　　因此，在當(dāng)前的情況下，完全依靠民間風(fēng)險(xiǎn)投資和少量政府資金的零敲碎打，就想把FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)，基本是不不可能的。

　　國(guó)產(chǎn)FPGA現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)內(nèi)FPGA廠商有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)。既有自主研發(fā)十多年，并收購(gòu)美國(guó)CSwitch公司開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Tile架構(gòu)的京微雅格;也有曾經(jīng)從事反向設(shè)計(jì)，在軍用產(chǎn)品中頗具市場(chǎng)的國(guó)微電子;還有技術(shù)團(tuán)隊(duì)來(lái)自萊迪思核心團(tuán)隊(duì)的西安智多晶;以及被背靠紫光，并與國(guó)微電子頗有淵源的同創(chuàng)國(guó)芯等等。

　　不過(guò)，總體來(lái)看，雖然中國(guó)FPGA廠商不少，但和賽靈思、阿爾特拉的差距非常大，不僅在硬件性能上如同鴻溝，在軟件上，大多沒有自主研發(fā)出一整套EDA工具(設(shè)計(jì)電子電路的軟件程序)——想在FPGA領(lǐng)域安生立命，光有硬件是不行的，需要有完善的EDA軟件做支撐，而國(guó)內(nèi)FPGA廠商很難拿出一套讓用戶滿意的EDA工具，有的甚至直接拿國(guó)外公司的軟件充數(shù)。

　　從市場(chǎng)份額上看，國(guó)內(nèi)FPGA廠商與國(guó)外巨頭的差距更是一目了然——全球FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模大約50億美元左右，其中中國(guó)市場(chǎng)約15億美元，但國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品根本不具備國(guó)外市場(chǎng)搏殺的競(jìng)爭(zhēng)力，即便在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，所占市場(chǎng)份額也僅有2%。

　　FPGA亟待更受重視

　　也許是在科普程度上不及CPU和存儲(chǔ)芯片，F(xiàn)PGA的重要性還沒有得到廣泛的理解。這導(dǎo)致做國(guó)內(nèi)CPU和存儲(chǔ)芯片的公司能獲得大量政府經(jīng)費(fèi)，而FPGA獲得的資金則少得可憐。

　　比如，國(guó)內(nèi)最大的FPGA廠商京微雅格在承接2014年國(guó)家科技重大專項(xiàng)FPGA研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用課題時(shí)，其中國(guó)家撥款、地方資金和企業(yè)自籌經(jīng)費(fèi)也是按1:1:1配套的，而非全部國(guó)家經(jīng)費(fèi)投入;其他幾家比如同創(chuàng)國(guó)芯和國(guó)微電子也是勞心勞力，才獲得核高基項(xiàng)目和紫光的輸血......就最近的情況而言，最大的動(dòng)作僅僅是紫光收購(gòu)萊迪思6.07%的股權(quán)。

　　于是，在國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展不起來(lái)的背景下，高端FPGA產(chǎn)品中國(guó)完全依賴從美國(guó)進(jìn)口，這對(duì)中國(guó)毫無(wú)疑問是一個(gè)隱患——因?yàn)槿绻麤]有FPGA，90%以上的軍用電子設(shè)備將難以發(fā)揮作用!

　　相對(duì)于民間擁有大量庫(kù)存的PC和服務(wù)器CPU，一些高端FPGA僅僅用于軍事等特殊領(lǐng)域，因而民間鮮有庫(kù)存，而且一片幾萬(wàn)元的價(jià)格，過(guò)高的渠道積壓成本使渠道商也很少去儲(chǔ)備。

　　如果要去正常訂貨，光訂貨發(fā)貨周期就要幾個(gè)月。即便向第三國(guó)購(gòu)買，和中國(guó)關(guān)系較好的亞非拉兄弟國(guó)家根本不存在高端FPGA的市場(chǎng)需求，而有庫(kù)存的全是和美國(guó)站在同一戰(zhàn)壕的西方國(guó)家，可以設(shè)想，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，在現(xiàn)有庫(kù)存快速消耗的情況下，將嚴(yán)重影響高精尖武器和信息化裝備的補(bǔ)充。

　　因此，國(guó)家和社會(huì)各界如果能像重視CPU和存儲(chǔ)芯片那樣重視并扶持國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是對(duì)國(guó)防安全，還是對(duì)民用市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，都將非常有利。