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打破西方垄断,FPGA国产化待破局

日期:2019-09-26编辑作者:新闻资讯

FPGA国产化待破局

  [文/观察者网专栏作者 科工力量]

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  日前,在一次军民融合展会上,中国电科下属单位展示了完全正向设计的3500万门级FPGA。随后,中国电子下属单位公开宣布成功研发7000万门级FPGA。在特朗普亲自否决传说中有中资背景,总部在美国的私募基金CanyonBridge收购美国FPGA设计公司莱迪思之后,中国电科和中国电子在FPGA上取得的技术突破非常振奋人心。

行业细分,或许才是国产FPGA 芯片的出路。图片来源:百度图片

  虽然这两款FPGA和赛灵思、阿尔特拉这样的巨头差距很大,但从FPGA规模上看,已经超出现有的国产FPGA一大截的水平,对于一些特殊领域来说,已经可以解决部分有无的问题。

如果没有那么多钱去烧,没有那么多优秀的工程师,没有和晶圆厂良好的关系,就不要去想把自己的产品定位到高端领域。很多细分市场上,国产FPGA还是有很多机会的,只要有足够的实力,有非常好的市场定位,国产FPGA也是能够自力更生的。

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■本报记者 贡晓丽

  FPGA是一种非常重要的芯片

“和中国大多数集成电路设计公司一样,我们还十分弱小,一直在自主创新的道路上艰难跋涉。”日前,集成电路设计公司京微雅格经营上遭遇困境在行业内引发不小的震动,以上是该公司在公开信中对负面新闻的回应。

  FPGA是现场可编程门阵列,简单的说就是一个可以在其上编程的芯片,用户可以在FPGA上编程实现一个特殊的硬件加速算法。目前,这种芯片主要有三个应用方向。

从媒体和京微雅格自身披露的信息中可以看出,京微雅格确实遭遇了不小的挫折,事态的发展还需要静待观察。

  一是用在各自军用装备上。一个大型相控阵雷达有几千个TR组件,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,每个单元就含一个FPGA,用来做数据处理。红外设备上也需要FPGA,美国国防后勤局就曾采购过赛灵思的FPGA用于监视、侦察和火控系统中红外传感器的数据处理。

不过,对很多网友而言,也许根本就从未听说过京微雅格这家公司,也从未听闻过什么是FPGA。通过京微雅格事件,我们或许能够认识到FPGA的国际竞争环境之恶劣和技术壁垒之严格,要取得国产化芯片的突破,道阻且长。

  二是用在通信设备商。比如华为和中兴的多种通信设备,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。可以说,如果美国在FPGA上卡中国脖子,中国5G通信网络建设势必会受到一定影响。

“FPGA是现场可编程门阵列的英文缩写,它是一种逻辑电路,也是进行信息处理所需的芯片类型之一。”中国科学院计算技术研究所研究员张佩珩向《中国科学报》记者解释说。

  三是芯片设计公司用来仿真。FPGA有一个称呼叫做“万能芯片”,也就是把代码烧进去,就可以把FPGA变成所需要的芯片。这一特性使FPGA被广泛用于芯片仿真。什么意思呢?比如龙芯设计了一款CPU,要拿去流片的话,万一流片失败,很可能就是数百万美元的损失。在这种情况下,那就把代码烧进FPGA来测试一下,通过这种测试发现问题解决问题,降低流片风险。

如果从信息处理视角来分类的话,所需的芯片大致可分为三类:CPU、FPGA、ASIC。

  也许有人会说,既然是“万能芯片”,直接买FPGA把代码烧进去不就得了,何必专门去流片呢?这主要是因为FPGA价格非常贵,像国内IC设计公司从赛灵思采购的FPGA,高端产品要40多万元人民币一片,而英特尔普通的CPU(PHI那种例外),一般也就几百、几千上万元人民币。另外,FPGA烧进代码后主频也很低,一般在100MHz左右,作为对比英特尔、AMD 最新CPU的主频都在4G左右。因此,FPGA更多的被用于仿真,以降低CPU流片的风险。

“CPU是最通用的芯片,大家也最熟悉。”张佩珩说。CPU作为通用计算机的处理核心,它具备处理各式各样指令要求的能力,并且是在存储于外部存储器中的程序的控制下运行的,因此,对于信息处理而言,CPU最灵活也最通用,但如果只是用来处理某类固定的算法,CPU的性价比和效能比可能会比较低。

  另外,在医疗领域,FPGA被用于声波检测仪、CT扫描仪、核磁共振等设备。而随着物联网、汽车电子、机器人、无人驾驶的兴起,FPGA可能会获得更为广泛的应用。

ASIC的亮点在于专用,因为它是量身定制的,所以执行速度较快,大规模应用时其性价比和效能比都非常高,但ASIC的研发成本也非常高,而且一旦生产出来,它的功能就无法修改了。

  本次技术突破实现了技术上的飞跃

“FPGA介于CPU与ASIC之间。”张佩珩说。FPGA芯片中预设了大量的基础逻辑部件资源和布线资源,用户可以通过在线编程来改变它的连接关系,当改变了连接关系之后,它就具有了某一种功能的处理能力。

  进入FPGA这个行业的门槛很高。过去十多年时间里,Intel、IBM、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域,除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。国内曾经的领头羊,京微雅格在承接了核高基项目之后,还是陷入了经营困难,最后人才大量流失到国内其他FPGA公司中。

作为一类有强项性能的“处理器”,FPGA也逐渐在一些应用领域占领了重要的位置。根据网友林名所说:FPGA的应用领域既很宽又很窄。宽是因为可以用在几乎任何需要数字电路的领域;窄是因为由于成本、功耗、开发难度等,在每个领域都无法占统治地位。

  FPGA之所以这么难,主要是因为市场容量小,巨额投资收回成本难;行业高度集中,后发者很难和巨头对抗;赛灵思、阿尔特拉两家引领者修筑专利壁垒,堵塞后进道路;FPGA的特殊性必须拼高端,直接与巨头拼刺刀,无法走先低价抢占低端市场,再一步一步走向中高端的发展模式。

根据FPGA的特点,其主要应用是在通讯系统、工业控制、武器控制、医疗电子、消费电子等领域,例如,通信技术要求实现高速、复杂协议,消费电子应用则注重功耗控制、快速交付等,这些应用都是FPGA可以大展身手的领域。近年来FPGA最引人关注的变化趋势之一就是它的应用领域不断拓展。百度尝试用FPGA打造AI专有芯片,并实现了第一版AI专有芯片——百度大脑,这使得百度成为了全球最早将FPGA规模应用在人工智能领域的公司之一。

  正是因此,全球FPGA市场基本被美国“2大2小”四家公司垄断。国内FPGA厂商大多处于比较艰难的发展阶段,市场份额很低,同创国芯董事长祝昌华在一次发布会上曾表示:“全球FPGA芯片市场规模大约50亿美元左右,其中中国约15亿美元。由于行业的技术以及资本门槛比较高,美国厂商占据了垄断地位,在中国15亿美元的市场当中,国产FPGA产品所占市场份额约2%。”

备受关注的物联网对芯片也提出了非一般的要求。高度灵活且具有很强平行处理能力的FPGA产品能够提高传输量,缩短回应时间,提高能源效率,不但支援对资料分析和控制功能进行加速,还能够安全地桥接物联网应用中不断发展的各种有线和无线介面标准,是满足新兴物联网应用需求的关键所在。

  除了市场份额低之外,国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距也很大。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势,但基本分布在中低端市场,大多是一些1000万门级左右的FPGA,少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的,但大多是逆向工程的产物,或商业收购的结果,比如京微雅阁就依靠美国CSwitch公司开发出具有自主知识产权的Tile架构。

数据显示,2014年,全球FPGA市场总规模达到50亿美元,其中中国的市场份额达到了15亿美元,占全球市场的三分之一。据分析机构预测,到2020年,全球FPGA 市场规模将达84亿美元。同创国芯董事长祝昌华曾对媒体表示,随着云计算、云存储、工业互联网、无人驾驶汽车、5G通信等产业的兴起,FPGA的市场前景不容小觑。

  本次中国电科的3500万门级FPGA和中国电子7000万门级FPGA,则是非常振奋人心的技术突破。虽然具体参数还有待进一步披露,但在规模上,相对于国内众多商业公司,已经是一骑绝尘了,已经可以满足很多领域的使用需要,解决有无问题。比如某新锐战机上的有源相控阵雷达,就采用了体制内单位设计的自主FPGA。

然而,FPGA进入门槛非常高,目前市场上活跃度最高的四家芯片生产商有赛灵思、阿尔特拉、莱迪思与爱特。这四家公司用近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。在过去十多年里,Intel、IBM、三星等数十家公司曾试图涉足该领域,除Intel以167亿美元收购阿尔特拉成功进军该领域之外,其余公司纷纷折戟沉沙。

  因此,本次中国电子和中国电科取得技术突破意义非常大,解决特定领域的卡脖子问题,毕竟十几万、几十万一片的芯片不像英特尔的CPU那样,民间有大量库存,何况军品和民品也有很大差别。一旦发生紧急情况,现有库存消耗殆尽的情况下,将严重影响高精尖武器和信息化装备的补充。

“设计难度大、开发周期长、工艺要求高、产量规模小,这些都是制约FPGA发展的因素。”张佩珩说。据了解,网名为春波绿影的博客文章中提到,在赛灵思和阿尔特拉瓜分了大部分市场,中低端市场还要和莱迪思、爱特虎口夺食的情况下,京微雅格自然在FPGA自主研发的道路上举步维艰。

  虽然在很多方面,自主FPGA已经解决了有无的问题。不过,在商用领域,体制内单位的FPGA还很难替换掉赛灵思和阿尔特拉的产品。毕竟在性能上,国内单位和赛灵思、阿尔特拉的FPGA差距还是非常大的。业内人士很明确的表示,自主FPGA还是顶不上去,目前只能用美国的FPGA。

地平线机器人技术创始人兼首席执行官余凯向《中国科学报》记者坦言,其公司致力开发的机器人深度学习,就对FPGA有很高的要求,“没有使用过国产FPGA芯片”。

  结语

张佩珩所在的研究中心亦多采用赛灵思或阿尔特拉两家公司的FPGA芯片用于高性能计算机的系统研发以及高性能可重构计算等领域,“国产FPGA芯片或许可以率先在低端市场有所作为”。

  一直以来,中国寄希望于从国外收购技术。然而,紫光海外收购或合资的失利已经证明了,这条路走不通。正是因此,紫光最后选择了从中国台湾、韩国、日本挖人,走自主研发之路。就FPGA来说,实践也证明,技术引进之路走不通。

行业细分,或许才是国产FPGA芯片的出路。

  即便Canyon Bridge都已经和莱迪思谈妥了,但依然遭遇美国外国投资委员会的审查。由于莱迪思也非常愿意被Canyon Bridge收购,一再申请放行。只不过,莱迪思的苦苦哀求遇上了特朗普,特朗普动用总统特权将收购的希望彻底破灭。

产品的市场定位是非常重要的。网友熊飞在署名文章中支招:如果没有那么多钱去烧,没有那么多优秀的工程师,没有和晶圆厂良好的合作关系,就不要去想把自己的产品定位到高端领域。

  本次中国电子和中国电科在FPGA上取得的成绩,则充分说明了,自主研发的路是完全能够走通的。一些专家和领导“技术引进失败,才选择自主研发”,“把自主技术当作与国外合资的筹码,一旦合资立马把自主技术抛开”的思路和做法是值得反思的。

定位低端的话,FPGA开发者一定要做一些MCU和DSP做不了的事情,在交叉领域出些成果,例如专利算法、高速接口、特殊工艺、协议栈等等。熊飞认为,这些都是发展策略。

对于FPGA领域,整个生态系统建设也很重要。除了芯片本身还需要大力发展EDA工具,只有通过高性能的EDA工具才能充分开发出FPGA芯片的潜能。

很多细分市场上,国产FPGA还是有很多机会的,熊飞提到,只要有足够的实力,能够支撑研发支出,有非常好的市场定位,国产FPGA也是能够自力更生的。

《中国科学报》 (2016-06-14 第7版 产业)

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