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决定90%军用电子设备命运的芯片 中国何时才能完全自主?

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供稿:中国工控网 2016/6/3 17:02:35

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  相对于广为人知的CPU,FPGA可谓默默无闻。目前,国产CPU已经逐渐代替国外CPU,但FPGA却仍然完全依赖从美国进口,这对中国国防安全是一个非常大的隐患——因为如果没有FPGA,90%以上的军用电子设备将成为电子垃圾。

  

 

  随着PC和智能手机的普及,相信很多人都或多或少了解,什么CPU(中央处理器)和GPU(图形处理器),但你可能不知道,在芯片领域,还有另外一种鲜为人知的芯片——FPGA。

  这种芯片虽然“曝光率”远远不如CPU和GPU,但其重要性却不遑多让——无论是在军事领域,还是民用领域都颇具意义。不仅90%的大型军用电子设备都要用到FPGA,在即将到来的5G通信、物联网、大数据等民用领域,FPGA也有非常大的潜力。

  而恰恰是这样一款重要的芯片,中国却基本依赖进口,国产FPGA在中国市场的占有率仅为2%,即便是很多军用的高端FPGA,也基本依赖于进口,这究竟是怎么回事呢?

  FPGA是什么?

  如果用科学术语来正式介绍,FPGA是现场可编程门阵列。用普通人能听懂的话来说,它就是一个允许你在上面编程的芯片。编程完之后,就可以实现一个特殊的硬件加速算法,比如精确制导武器上的地图匹配。

  如果还是不懂,没关系,我们举些应用的例子,来看看它能干什么吧。

  比如,在军事国防领域,FPGA被运用于航天、航空、电子、通信、雷达、高端波束形成系统等领域,在各种军用电子设备中也经常会有FPGA的身影。

  以相位控制电子扫描阵列雷达(相控阵雷达)为例,一个大型相控阵雷达有几千个TR组件(看不懂没关系,知道它是雷达的一个极为关键的部件就行),几个TR组件组成一个小的处理单元对信号进行数模转换和预处理,而每个单元就含一个FPGA芯片。

  

 

  另外,对夜战非常重要的红外设备也离不开FPGA。美国国防后勤局就曾采购过美国赛灵思公司的FPGA用于监视、侦察和火控系统中红外传感器的数据处理。

  除了被广泛运用于军事领域,FPGA芯片在民用市场也颇具潜力,应用场景非常广泛。比如即将到来的5G通信,通信基站其实就是一个小相控阵,这就必须采用FPGA进行数据处理。

  现有的通信设备也离不开FPGA,比如前段时间美国制裁中兴通讯,FPGA也位列制裁名单之上,而华为和中兴所需的FPGA大多依赖于从赛灵思和阿尔特拉等美国公司进口。

  在医疗领域,FPGA则被用于声波检测仪、CT扫描仪、核磁共振、x射线等各种设备上。在消费品电子、物联网、汽车电子、机器人、数据挖掘、工控等领域,FPGA也扮演着重要角色。随着机器人、无人机、大数据、物联网、无人驾驶、5G通信的兴起,市场前景会越来越好。根据Gartner统计,从2014年到2023年,FPGA的年均增长率达7%。

  可以说,几乎你能见到和见不到的大部分电子设备中,都有FPGA芯片这么个玩意儿。

  为何研发难度高

  目前全球的FPGA市场,基本被前面提到的两家美国公司垄断——赛灵思和阿尔特拉。在过去十多年里,英特尔、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等其他60多家公司都曾试图涉足FPGA领域,但纷纷惨败。这其中的原因就在于FPGA的进入门槛极高。

  有多高?

  一是专利技术壁垒。赛灵思从上世纪80年代开始做FPGA,在30多年时间里积累了丰富的技术和经验,在该领域有异常雄厚的技术底蕴,并与阿尔特拉、莱迪思、美高森美等公司用近9000项专利构筑的知识产权壁垒,很大程度上堵死了后来者追赶的道路。即便是强如英特尔,最后也是以耗资167亿美元收购阿尔特拉获得了FPGA领域的入场券,而非通过自主技术研发在FPGA领域站稳脚跟。

  二是市场相对偏小。全球FPGA市场总额仅为50亿美元,而英特尔在2015年第四季度的营业收入就达149亿美元。相对偏小的市场份额很难养活太多的大公司,必然导致竞争异常激烈,仅仅少数佼佼者才能生存下来。

  三是用户对FPGA性能要求高。FPGA很大一部分场景是做一些芯片模拟工作,使用者在其基础上做编程,必然会有很大性能损失,在性能降低了很多以后,还要和CPU等芯片去匹配,使用户会对FPGA的性能有着越高越好的要求。另外,在军用领域,虽然局部场景对FPGA性能要求不高,国内反向设计的FPGA也能满足使用需求,但也有很多场景对FPGA性能也有着非常高的要求。

  

 

  同时,赛灵思、阿尔特拉等巨头在技术上处于绝对领先地位,其FPGA产品往往采用最先进的工艺,并且将工艺的潜力挖的很透,而后来的追赶者则没有这个条件和技术实力,导致性能上大幅逊色于两大巨头。

  具体来说,赛灵思和阿尔特拉的FPGA已经开始着手采用最先进的14/16nm工艺,而国内FPGA厂商根本无力承担采用先进制程工艺的高昂成本。

  加上掌握最先进制造工艺的为英特尔、台积电、三星等对中国大陆IC设计公司使用最先进工艺有很多限制——买IP做集成可以,但如果是自主研发的IP,则会有很多限制,如果有军民两用潜力,限制就更多了。这致使国内FPGA厂商大多采用40/55nm工艺,在制造工艺上就处于先天劣势。

  因此,除了囊中羞涩的用户,或定位于工控等对性能要求有限的特殊情况,大部分用户对FPGA的需求是性能越高越好,这样就会使国内如京微雅格等FPGA厂商即便开发出廉价的中低端产品,也会因性能差距而被很多潜在用户抛弃。

  正是因为存在这种现象,FPGA的研发难度比CPU还要高。

  在CPU方面,企业如果做不了高性能的桌面或服务器CPU,还可以做做低功耗嵌入式芯片“曲线救国”。

  比如如今在智能手机芯片领域呼风唤雨的ARM,就是依靠深耕嵌入式芯片领域,并最终发展壮大羽翼丰满,甚至隐隐威胁到了英特尔的地位;国产的龙芯也可以在高性能芯片无力与Intel抗衡的情况下,依靠做嵌入式芯片实现自给自足、自负盈亏。

  而FPGA则不然,除了工控等一些特殊场景之外,其他FPGA芯片厂商很多时候上必须一开始就和赛灵思、阿尔特拉、莱迪思短兵相接拼性能。

  因此,在当前的情况下,完全依靠民间风险投资和少量政府资金的零敲碎打,就想把FPGA产业发展起来,基本是不不可能的。

  国产FPGA现状

  那么国产FPGA芯片的整体情况和水平到底如何?

  目前,国内FPGA厂商有百家争鸣之势。既有自主研发十多年,并收购美国CSwitch公司开发出具有自主知识产权的Tile架构的京微雅格;也有曾经从事反向设计,在军用产品中颇具市场的国微电子;还有技术团队来自莱迪思核心团队的西安智多晶;以及被背靠紫光,并与国微电子颇有渊源的同创国芯等等。

  不过,总体来看,虽然中国FPGA厂商不少,但和赛灵思、阿尔特拉的差距非常大,不仅在硬件性能上如同鸿沟,在软件上,大多没有自主研发出一整套EDA工具(设计电子电路的软件程序)——想在FPGA领域安生立命,光有硬件是不行的,需要有完善的EDA软件做支撑,而国内FPGA厂商很难拿出一套让用户满意的EDA工具,有的甚至直接拿国外公司的软件充数。

  从市场份额上看,国内FPGA厂商与国外巨头的差距更是一目了然——全球FPGA芯片市场规模大约50亿美元左右,其中中国市场约15亿美元,但国产FPGA产品根本不具备国外市场搏杀的竞争力,即便在国内市场,所占市场份额也仅有2%。

  FPGA亟待更受重视

  也许是在科普程度上不及CPU和存储芯片,FPGA的重要性还没有得到广泛的理解。这导致做国内CPU和存储芯片的公司能获得大量政府经费,而FPGA获得的资金则少得可怜。

  比如,国内最大的FPGA厂商京微雅格在承接2014年国家科技重大专项FPGA研发与产业化应用课题时,其中国家拨款、地方资金和企业自筹经费也是按1:1:1配套的,而非全部国家经费投入;其他几家比如同创国芯和国微电子也是劳心劳力,才获得核高基项目和紫光的输血......就最近的情况而言,最大的动作仅仅是紫光收购莱迪思6.07%的股权。

  于是,在国内企业发展不起来的背景下,高端FPGA产品中国完全依赖从美国进口,这对中国毫无疑问是一个隐患——因为如果没有FPGA,90%以上的军用电子设备将难以发挥作用!

  相对于民间拥有大量库存的PC和服务器CPU,一些高端FPGA仅仅用于军事等特殊领域,因而民间鲜有库存,而且一片几万元的价格,过高的渠道积压成本使渠道商也很少去储备。

  如果要去正常订货,光订货发货周期就要几个月。即便向第三国购买,和中国关系较好的亚非拉兄弟国家根本不存在高端FPGA的市场需求,而有库存的全是和美国站在同一战壕的西方国家,可以设想,一旦发生战争,在现有库存快速消耗的情况下,将严重影响高精尖武器和信息化装备的补充。

  因此,国家和社会各界如果能像重视CPU和存储芯片那样重视并扶持国内FPGA产业,无论是对国防安全,还是对民用市场来说,都将非常有利。

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新闻来源: OFweek

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