5G 基站中被美国垄断的“白纸”芯片 FPGA

2020 年 12 月 11 日，提起 5G 朋友们非常轻易想到华为，在华为等的 5G 基站中有一类芯片，它的存在感不是非常强，但它的好处非常大，它即是 FPGA 芯片。

甚么是 FPGA 芯片？

若咱们想快速打听一款芯片，非常简单的技巧即是观察它功效和用途，但这个技巧对于 FPGA 来说并不适合。

若你真的去查 FPGA 的应用场景，你会获得一个非常长的名单，好比：通讯网络、物联网、消息平安、数据中间、人工智能、卫星导航、医疗东西、图像处分、视频编码、云计较、军工等等。

大约有些人查到一半就首先懵了，FPGA 芯片的应用局限横跨了太多行业。辣么 FPGA 芯片毕竟甚么呢？

答：是白纸。

若咱们把别的种种专用芯片比作不同样式的画作，辣么 FPGA 芯片即是白纸。咱们能够在白纸上画出种种不同样式的画作，这即是 FPGA。

假设你是一块 FPGA 开辟板，你在大学试验室里的一天不妨如许度过的：

早晨，一批大二门生进来了试验室。他们为了实现昨天夜晚未实现的项目，首先急急忙的调整着关联的硬件。非常终，他们实现了，FPGA 开辟板造成了音乐播放器。

午时，一帮大三门生赶到了试验室，他们要列入省里的智能小车角逐。或是这块 FPGA 开辟板，这回被他们借去测试智能小车的代码。

下昼，一个大四的门生到达了试验室，或是借这块 FPGA 开辟板。但是他是用来做卒业设计的，他要做一个电梯的掌握模块。

就如许，一天以前了。同样一块 FPGA 开辟板，上午它是音乐播放器，午时它是智能小车，下昼它又是电梯掌握模块。只是因为每次刷入的代码不同，FPGA 芯片就具有了彻底不同的功效，这即是 FPGA 的神奇之处。

FPGA 的特色

首先一大特色即是天真性，FPGA 就像上文所说的 “白纸”同样，能够经历 “刷代码”的方法改变用途和功效。

对于数据中间来说，许多机械是面向不同客户出租的，因此硬件的用途时常会产生改变。而这时若用 FPGA 作为加快卡就会非常利便了，装备用途改变的同时，FPGA 这边也同步进行改变就能够了。

分外是对于人工智能平台的上风更为明显，好比当今盛行一种神经网络，没准过一段时间另一种神经网络又变得热点了，并且算法也会随之时间接续更新。这种情况下大约就需要接续改换硬件 , 非常大限制的去贴合算法需要。而 FPGA 就利便许多了，需要进行调整的时分重新刷入就能够了，在勤俭时间的同时也削减了老本。

FPGA 除了天真性之外，另外一大特色即是并行了。怎样明白并行呢？

好比咱们在周末要做家务的时分，用洗衣机洗衣服 15 分钟，洗菜 5 分钟，做饭 20 分钟。辣么一共需要几许时间呢？若挨次进行这些家务的话，那就需要 40 分钟。但是咱们能够发现，在洗衣机洗衣服的时分咱们是能够同时干别的家务的，如许一来咱们只需要 25 分钟就能够做完这些家务了。

由此可见，并行能够大大进步服从，也恰是因为如许，FPGA 能够赞助 CPU 加快计较。

但值得介绍的是，不是全部使命都适合并行。好比咱们务必在洗完菜以后才气做饭，这两个使命就不能够并行实现。因此 FPGA 的加快往往是针对一种大约一类使命，并不会像 CPU 那样办理全部疑问。

FPGA 和 ASIC

FPGA 全称现场可编程逻辑门阵列，它属于一种半定制电路。而 ASIC 称为专用集成电路。

这两个实在都能够算是 “白纸”，只但是在 FPGA 的 “白纸”上咱们画的是铅笔画，而设计并制造 ASIC 芯片刻，咱们是在 “白纸”上画水彩画。

两者实在都具有相配的天真性，只但是对于 ASIC 来说，当水彩画实现也即是芯片造出来的时分，就曾经没有甚么点窜的空间了。而 FPGA 的铅笔画是能够擦了重新画的。

另外一方面，若对于同样一个电路，别的条件也大致等同的情况下，ASIC 的性能是比 FPGA 强的。就像水彩画比铅笔画颜色更璀璨。因此若一个电路在后期不需要变动的情况下，出于性能（功耗、速率、芯片面积）方面的思量，选 ASIC 更适宜。

固然以上所说的只是性能方面的考量，在现实选定中还会有别的成分的影响，好比老本。

ASIC 的起步老本短长常昂扬的，对于少许先进的工艺制程来说，流片一次的老本就大约干脆上亿。而 FPGA 的起步老本非常低，在淘宝上就能以几百块包邮的价格买到响应的开辟板。并且因为 ASIC 制造以后不可变动，因此就有大约因为设计不合理大约响应产物在环境趋势上反应欠好，以至于关联开辟老本取水漂的情况。对于 FPGA 来说就非常罕见这方面危害了，若设计有疑问，后期还能够再次调整，即便项目计划有疑问，买入的 FPGA 芯片也可再次发售或用在别的项目中。但另一方面，ASIC 范围化制造后边际老本非常低，而基于 FPGA 设计的产物则难以经历大量量制造获取边际老本红利。

举例来说即是，今天想吃羊肉串，ASIC 就像自助餐，进门价格非常高，但进入以后吃三串和吃十串价格上的差别就不大了。而 FPGA 就像普通餐馆，根基没有非常低花费，进入点几许吃几许。但是非常少会因为你点的多就给你优惠。但芯片总会要更新的，就想吃羊肉串吃多了会腻，以后大约就想吃排骨了。但是在这个自助餐店里没有排骨。那怎么办呢，去另一家有排骨的自助餐餐厅里重新交钱吃，这即是 ASIC 老本上的特色。但对于 FPGA 来说，换一家餐厅点餐就能够了，归正都没有非常低花费。

因此，对于少许中小公司来说，若他们的产物对于性能有一定请求，需要相对先进的工艺制程的话，他们基础负担不起一次先进工艺的流片价格，辣么只能选定 FPGA 了。若他们的产物对于性能请求不是非常高的话，就有大约选定成熟工艺的 ASIC，老工艺的流片老本或是相对低的。

而对于大公司就要分情况谈论了，若指标产物需要时常改变，辣么就用 FPGA。若指标产物只是开辟初期需要时常改变，但定型以后不会点窜的，辣么就在初期选定 FPGA，在定型后转向 ASIC。若一个芯片产物曾经有了相配的开辟经验，在其次年只是推出新款的话，也有大约干脆应用 ASIC。

另外一方面，即是开辟周期了。先进工艺的流片价格非常高，除了昂扬的价格之外，它的开辟周期也相对较长。ASIC 芯片制作历程也是非常花时间的，因此有些公司为了让本人的产物更快上市，占有响应的环境趋势，也会选定 FPGA。

国产 FPGA

凭据网络公示材料整顿

以 2018 年的数据为例，在全球 FPGA 环境趋势上，Xilinx（赛灵思）、Intel（英特尔）、Microsemi（美高森美）、Lattice (莱迪思)这四家公司就占有了大约 96% 的环境趋势份额。这四家公司和排名第五的 QuickLogic 均是美国公司，并且在环境趋势占有率仅为 2% 的别的公司中，也还包含着少许美国公司。

国内的少许 FPGA 公司好比紫光同创、复旦微电子、高云半导体等企业尚在开展阶段，与国外少许先进的 FPGA 公司以后仍有一定差距。

工艺上的差距

截取自 Xilinx 官网

截取自 Intel 官网

以 Xilinx 和 Intel，这两家公司都提供了不同工艺制程的 FPGA 产物，如许就能够更好的知足不同需要不同估算的客户。此中 Xilinx 的 FPGA 产物当前所接纳的非常早进工艺为 16nm，而 Intel 为 10nm。（仅统计当前官网上展示的 FPGA 产物，故未统计比方 Xilinx 7nm 工艺的 ACAP 类产物）

截取自紫光同创官网

而国内 FPGA 厂家，以紫光同创为例，其当前的 FPGA 产物品种相对较少，当前其官网上的 FPGA 产物所接纳的非常早进工艺为 40nm。大约2019 3 月，紫光同创公布了 28nm 工艺的 Logos-2 系列 FPGA，但当前在官网的产物页上未找到关联消息，仅有公布的消息资讯。

截取自 Intel 官网

另一方面，以 Intel 的 Stratix 系列 FPGA 为例，其 40nm 产物 Stratix IV 推出年份为 2008 年，28nm 产物 Stratix V 推出时间为 2010 年。

推行上的差距

对于 FPGA 产物来说，除了向企业推行之外，向黉舍推行也是非常紧张的。普通来说 FPGA 厂家提供的并不但是 FPGA 芯片，而是包含 EDA 对象在内的相对完备的办理方案。各家厂家普通都会有本人的 EDA 对象，好比 Xilinx 的 Vivado、Intel 的 QuartusII、紫光同创的 PDS，这些都属于各家的 FPGA 应用对象。不同应用在功效和应用习气上是有迥异的。因此若能让黉舍里这些来日的 FPGA 工程师们能先习气应用自家的 EDA 对象和芯片是非常紧张的。

就像当今桌面操纵体系有两大厂家，推出 Windows 操纵体系的微软和推出 MacOS 操纵体系的苹果。若门生在黉舍时代时常应用 Windows 体系的话，辣么他卒业以后也会倾向于应用和采购搭载 Windows 体系的装备。若时常应用 MacOS 体系的话也会倾向于采购苹果的装备。

以清华大学为例，早在 1994 年，Xilinx 就在清华大学建立了中国大陆初次个培训中间。

在雇用网站上，清华大学雇用 FPGA 工程师的岗位形貌上明白指出了需要谙习 Altera/Xilinx FPGA 设计流程。

也有许多别的企业雇用 FPGA 工程师时会明白请求掌握 Intel（Altera）/Xilinx 的设计流程，小批企业也会请求掌握 Lattice 的设计流程。由此可见，Intel 和 Xilinx 的推行是相对胜利的，紫光同创实在也在野这个偏向起劲。

出自第七届大门生集成电路设计 · 应用立异大赛杯赛问题

以 今年 年第七届大门生集成电路设计 · 应用立异大赛 - 紫光同创企业杯为例，在紫光同创企业杯的种种赛题中，设计请求里都会有一条：应用紫光同创 Titan 系列 FPGA 进行设计。紫光同创即是经历如许的方法来推行本人的产物。

如许少许，片面关联职业的大门生在卒业以前就能获取紫光 FPGA 的开辟经验，并且首先谙习紫光 FPGA 的开辟流程。但是这种推行详细反应到企业那儿的结果怎样，这还需要时间的检验。

因为美国出口管束实体清单以及一系列美国政策的发现，许多中国企业都首先动手于 “国产替代化”的奇迹。分外是针对像 FPGA 如许由美国公司杀青高度把持的环境趋势，国产替代化的紧张性不言而喻。这对于像紫光同创、复旦微电子、高云半导体这些国产 FPGA 厂家来说是时机。当前国内 FPGA 厂家的 FPGA 芯片和 EDA 对象与美国大厂相比仍有一定差距，因此当前国产厂家的 FPGA 产物尚不能够彻底替代美国的 FPGA 产物。而追上这些差距对于国产 FPGA 厂家来说也是一大搦战。