近日，中國首款5G商用手機(jī)在京東和蘇寧正式開售，這也意味著國內(nèi)5G商用正式拉開序幕，一場通信史上的重大變革也正在發(fā)生！
與4G通信相比，即將到來的5G時代，對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，具備高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低延時等特性。目前相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還在持續(xù)演進(jìn)和迭代中，市場上還沒有形成統(tǒng)一的方案，需要在網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備及終端靈活應(yīng)對，可編程的FPGA芯片將由此獲利！
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5G成全球爭奪的戰(zhàn)略高地
“5G競賽已經(jīng)開始，美國必須贏。”今年4月的演講中，美國總統(tǒng)唐納德·特朗普的一句話，再一次印證了5G的重要性！
我們都知道，移動通信技術(shù)每10年都將迎來一次變革。相對于之前的通信技術(shù)，5G的重大意義在于“萬物互聯(lián)”，顛覆了傳統(tǒng)通信模式，由此也將衍生出更多的應(yīng)用場景及商業(yè)機(jī)會。
具體而言，5G技術(shù)將構(gòu)建人、機(jī)、物三元融合的互聯(lián)，作為新一代信息通信基礎(chǔ)設(shè)施，承載著人工智能、自動駕駛、VR/AR、無人機(jī)等應(yīng)用，成為下一輪科技浪潮的先驅(qū)。為此，5G也成為各國的爭相攻占的戰(zhàn)略高地。
全球主要國家5G商用進(jìn)程（資料來源：中國信通院）
從全球主要國家的5G布局來看，中國顯然起步更早，在技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)及商用進(jìn)程方面領(lǐng)先于其他國家。6月6日，中國工信部正式發(fā)放5G商用牌照，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電分別獲得一張運(yùn)營牌照，中國正式步入5G時代。
目前，我國5G產(chǎn)業(yè)在頻譜、芯片、終端、運(yùn)營商等環(huán)節(jié)關(guān)鍵因素都已經(jīng)齊備，整體水平已經(jīng)處于國際第一梯隊(duì)。更為重要的是，在國家意識的推動下，中國5G產(chǎn)業(yè)布局的決心非常明確，加之華為、中興、紫光展銳等設(shè)備及器件廠商的大力投入，OPPO、vivo、小米等終端廠商的跟進(jìn)，使得我國有望成為全球5G最重要的市場之一。
雖然說2019年是商用元年，但5G產(chǎn)業(yè)還處于剛剛起步階段。由于我國消費(fèi)人口基數(shù)大，移動通信技術(shù)成長迅速，我國在5G通信設(shè)備技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先水平，例如華為輪值董事長梁華就曾表示，華為5G技術(shù)成熟度領(lǐng)先其它公司12個月到18個月，這是在移動通信史上從沒有出現(xiàn)過的。
然而，我國在FPGA芯片、射頻/模擬芯片、存儲、CIS、sensor、光芯片、高頻高速材料等核心芯片、元器件和材料方面還比較欠缺。特別是FPGA芯片，目前在通信領(lǐng)域應(yīng)用方面國內(nèi)基本依賴進(jìn)口，在5G通信方面國外壟斷情況更加嚴(yán)峻。
“FPGA的核心技術(shù)目前主要被美國企業(yè)控制，歐洲和日本和中國一樣，沒有核心技術(shù)，超過90%的核心專利在美國人手里”，廣東省5G中高頻器件創(chuàng)新中心專家認(rèn)為：“FPGA的研發(fā)投入周期是芯片周期中最長的，往往超過5年，所以很多企業(yè)堅(jiān)持不下來，國內(nèi)FPGA企業(yè)也多數(shù)沒有成型。”
另據(jù)國內(nèi)5G知名廠商透露，5G設(shè)備主板外圍都需要大量用到FPGA。雖然不同5G設(shè)備功能不同，需要的FPGA數(shù)量不盡相同，但是FPGA對于5G產(chǎn)業(yè)可以說是不可或缺的關(guān)鍵芯片！
對此，廣東省5G中高頻器件創(chuàng)新中心專家也做了具體解釋：“5G網(wǎng)絡(luò)由于頻率增高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋難度加大，基站設(shè)備復(fù)雜度也增加很多，F(xiàn)PGA的用量相比4G設(shè)備超過1倍以上。”
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FPGA加速5G技術(shù)變革
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據(jù)客戶定制進(jìn)行針對性的算法設(shè)計(jì)。由于3GPP標(biāo)準(zhǔn)一直在演進(jìn)，芯片開發(fā)的進(jìn)度一般會滯后標(biāo)準(zhǔn)2年左右。為了在5G通信爭奪中保持領(lǐng)先，前期企業(yè)都需要用FPGA實(shí)現(xiàn)功能，規(guī)模化以后再用ASIC芯片替代。
另外，為了滿足5G通信的新需求，海量MIMO、云RAN、新的基帶和RF架構(gòu)等大量新技術(shù)引入其中，而隨著接入設(shè)備的增加，大量的微基站也在興起，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和運(yùn)維通過較長時間達(dá)到最優(yōu)之前，靈活的FPGA方案被寄予厚望，正在成為各大設(shè)備及系統(tǒng)廠商的首選。
1、初期階段：加速產(chǎn)品上市進(jìn)度
相對于ASIC芯片而言，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢是可以重復(fù)編程，并且能夠執(zhí)行ASIC的所有邏輯功能。在技術(shù)還未成熟階段，采用FPGA方案能夠降低成本與開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，加速新產(chǎn)品的上市進(jìn)度搶占先機(jī)。
特別是在5G初期，技術(shù)預(yù)演需要走在標(biāo)準(zhǔn)制定之前，考慮到后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)制定過程中的變動性，F(xiàn)PGA幾乎成為了唯一的方案。在2015年世界移動大會上，中國移動就展示了其基于FPGA開發(fā)的5G基站原型平臺，為5G技術(shù)發(fā)展積累了大量經(jīng)驗(yàn)。
中國移動5G基站原型機(jī)采用大規(guī)模FPGA陣列（資料來源：中國移動）
隨后在MWC 2018期間的 GTI峰會上，中國移動聯(lián)合國內(nèi)外多家廠商共同啟動了“5G終端先行者計(jì)劃”，基于FPGA的原型機(jī)，推進(jìn)5G終端產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與成熟。
2、大規(guī)模天線：FPGA更具有靈活性
相對于4G而言，為了增強(qiáng)信號覆蓋及頻譜效率，大規(guī)模天線（Massive MIMO）是5G引入的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨之而來收發(fā)通道數(shù)從16T16R提高到64T64R甚至128T128R，為了降低干擾及抑制噪音，需要對每個天線單元接受到的信號進(jìn)行數(shù)字處理，在自適應(yīng)波束成形中產(chǎn)生了大量的計(jì)算負(fù)載。
從4G到5G天線演進(jìn)趨勢（資料來源：中興通訊）
如果采用傳統(tǒng)的CPU和DSP芯片，將導(dǎo)致負(fù)載過重，F(xiàn)PGA在I/O 、運(yùn)算速度及延遲上均具有優(yōu)勢。目前在多通道波束成形中，雖然也有廠商選擇ASIC方案，但是FPGA更具有靈活性。
3、基站升級：FPGA節(jié)省更換成本
由于通信基站中負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議中物理層、邏輯鏈路層的協(xié)議部分，每年都需要升級，特別適合FPGA可編程特性，幾乎每個基站中都有FPGA芯片。隨著5G時代的來臨，在標(biāo)準(zhǔn)還沒有完全凍結(jié)之時，運(yùn)營商不可能立即更換基站設(shè)備，而是采用在原有基礎(chǔ)上升級的過渡方案，F(xiàn)PGA將在這一過程中必不可少。
5G基站大規(guī)模采用FPGA（資料來源：華為）
除此之外，一個5G基站對FPGA需求量幾乎是一個4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價值量約為4G基站的1.7倍，F(xiàn)PGA的價值量比4G基站多大約1000美元的價值量。5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將成為全球FPGA產(chǎn)業(yè)新的增長引擎。另據(jù)Dell' Oro Group報(bào)告分析，未來五年5G 新空口大規(guī)模天線陣列收發(fā)器的出貨量將超過5000萬個，由此也將帶動FPGA使用量的“迅猛式”增長。
西安卓聯(lián)電子科技有限公司總經(jīng)理、FPGA技術(shù)聯(lián)盟公眾號創(chuàng)始人趙吉成表示：“FPGA技術(shù)發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了三代革新。從最初單純的邏輯處理，到引入Arm DSP，再到集成模擬、射頻單元，單芯片F(xiàn)PGA正在朝著獨(dú)立系統(tǒng)方向發(fā)展。而在5G通信應(yīng)用中，需要實(shí)現(xiàn)算法、高速接口及大規(guī)模邏輯單元。”
“目前，中興和華為有些小規(guī)模試用國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品，市場主要是給一些小型的企業(yè)配套。”廣東省5G中高頻器件創(chuàng)新中心專家認(rèn)為：“FPGA的國產(chǎn)化替代應(yīng)該有很大的空間的，但是難度也非常大。”
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國內(nèi)企業(yè)能否分一杯羹？
“5G帶來的市場增量，以及由此帶來的系統(tǒng)廠商設(shè)備升級的需求，將成為國產(chǎn)FPGA加速成長的一個機(jī)會。”紫光同創(chuàng)市場總監(jiān)呂喆首先看到的是，巨大的市場增量給行業(yè)帶來的機(jī)遇。
那么，增量有多大？
根據(jù)天風(fēng)證券的預(yù)測，在5G等新興應(yīng)用的推動下，2025年全球FPGA市場規(guī)模將達(dá)到125億美元左右，年復(fù)合增長率為10.22%。其中電子通信應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)到44億美元左右。
如果按照30%的占比來看，在電子通信應(yīng)用領(lǐng)域，到2025年中國市場就能為FPGA提供超過13億美元需求，而國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的還幾乎是空白。
全球FPGA市場預(yù)測
（資料來源：MRFR，天風(fēng)證券研究所）
在應(yīng)用方面，除了原型設(shè)計(jì)、波束成形及基站協(xié)議升級之外，實(shí)際上FPGA在通信領(lǐng)域使用非常廣，在傳輸網(wǎng)和骨干網(wǎng)，數(shù)字信號調(diào)制和基帶處理、接口處理，DFE數(shù)字前端信號處理、接口轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用。
FPGA在5G領(lǐng)域的應(yīng)用（資料來源：芯師爺）
而對于通信應(yīng)用而言，由于需要處理大量的運(yùn)算，千萬門級高性能FPGA是一個門檻。目前國內(nèi)僅紫光同創(chuàng)推出了自主產(chǎn)權(quán)2000千萬門級高性能FPGA產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)在中高端大規(guī)模FPGA市場的空白，但由于工藝和性能落后等因素，只可用于接口轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制、報(bào)文協(xié)處理等普通通信應(yīng)用場景需求。
另外，據(jù)公開資料顯示，紫光同創(chuàng)、上海安路、廣東高云等中國FPGA領(lǐng)先廠商均發(fā)布了28nm工藝1000萬門級自主產(chǎn)權(quán)FPGA的上市計(jì)劃，可用于更多通信應(yīng)用場景，預(yù)計(jì)能夠滿足通信設(shè)備領(lǐng)域的絕大部分中低端FPGA應(yīng)用場景的使用需求，但無線基帶處理、高速傳輸和交換、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)業(yè)務(wù)處理等高端通信應(yīng)用場景所需要的5000萬門級、乃至億門級自主產(chǎn)權(quán)超高性能FPGA產(chǎn)品，還沒有規(guī)劃，還有待解決。
截至2018年底，中國5G基站數(shù)量就已經(jīng)達(dá)到了35萬個，而美國僅僅只有3萬個。隨著今年6月工信部正式發(fā)布5G牌照，5G基站建設(shè)也開始進(jìn)一步加速。預(yù)計(jì)2019年全年中國5G基站數(shù)量將新增15萬個，領(lǐng)先于全球其他國家。毫無疑問，5G技術(shù)所帶來的變革將在中國市場率先落地，由此也將帶來國內(nèi)FPGA需求的大幅增長。
面對通信市場的需求增長，呂喆對于國產(chǎn)FPGA的未來出路有了更長遠(yuǎn)的思考：“5G網(wǎng)絡(luò)在傳輸延時和數(shù)據(jù)精度等方面，對系統(tǒng)和芯片方案提出了更高的要求，對國產(chǎn)FPGA來說，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。如果能與國內(nèi)通信設(shè)備系統(tǒng)廠商一起合作的話，將加速國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品在通信和5G應(yīng)用領(lǐng)域的催熟。”
對此，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金總裁丁文武也曾強(qiáng)調(diào)到：“投資人不僅僅要支持設(shè)計(jì)業(yè)，還要支持像CPU、DSP、FPGA、MEMS這樣戰(zhàn)略性的高端芯片領(lǐng)域。”
“我們起步比國外企業(yè)晚了近20年，國內(nèi)外差距還非常明顯，高端領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)幾乎還沒有涉足。”趙吉成認(rèn)為：“未來一段時間內(nèi)，國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)都將處于追趕階段，但是近幾年國家對芯片自主化關(guān)注越來越高，這也是一個難得機(jī)會。”
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寫在最后：
作為移動通信領(lǐng)域又一個重大變革，5G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)還僅僅邁出了第一步，F(xiàn)PGA在其技術(shù)演進(jìn)中扮演者不可或缺的角色，而國內(nèi)還處于空白狀態(tài)。全球5G的爭奪正變得愈發(fā)激烈，想要在5G領(lǐng)域真正領(lǐng)跑，不再受制于人，必須加大對國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)的扶持力度，實(shí)現(xiàn)在高端領(lǐng)域的自主化。