一颗小小芯片，为何中国二十多年都还没有搞定？
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。
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。
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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