决定90%军用电子设备命运的芯片中国何时能自主

发布于：2016/5/26 0:00:00 | 262 次阅读

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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，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。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地位，其FPGA产品往往采用的工艺，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，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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