FPGA，新基建的“芯”推力

新基建是數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施，具有發(fā)展速度快、技術(shù)含量高等特點(diǎn)，隨著新技術(shù)新應(yīng)用層出不窮，其對(duì)計(jì)算、架構(gòu)、協(xié)議、接口的動(dòng)態(tài)更新提出了新的需求，因此，對(duì)底層芯片提出了新的考驗(yàn)。FPGA具有軟硬件可編程、接口靈活、高性能等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足高新技術(shù)對(duì)于計(jì)算和連接的需求。那么，新基建將為FPGA帶來(lái)哪些市場(chǎng)增量？又將提出怎樣的技術(shù)挑戰(zhàn)？我國(guó)FPGA企業(yè)該如何抓住新基建帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇？

新基建將大幅拉動(dòng)FPGA新需求

新基建是以技術(shù)創(chuàng)新和信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，來(lái)推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施體系的數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)以及融合創(chuàng)新等。在原型設(shè)計(jì)、協(xié)議升級(jí)、數(shù)據(jù)處理、降低功耗等方面，F(xiàn)PGA都將發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢(shì)。

“在新基建巨大的投資拉動(dòng)效應(yīng)下，F(xiàn)PGA用量勢(shì)必會(huì)迎來(lái)大幅度提升。在技術(shù)創(chuàng)新方面，靈活可編程的FPGA被公認(rèn)為原型設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵器件，非常契合5G、人工智能、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用場(chǎng)景。而特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車(chē)等場(chǎng)景，普遍面臨著連接和數(shù)字化轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，對(duì)于運(yùn)算效率、數(shù)據(jù)安全性、時(shí)延等性能要求更高。FPGA憑借強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，能夠滿足多樣化及邊緣化數(shù)據(jù)處理的需求。”紫光同創(chuàng)市場(chǎng)總監(jiān)呂喆向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出。

工信部最新統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)5G基站以每周新增1萬(wàn)多個(gè)的速度在增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)今年年底，我國(guó)5G基站的建設(shè)將超過(guò)60萬(wàn)個(gè)。而通信行業(yè)正是國(guó)產(chǎn)FPGA最主要的應(yīng)用場(chǎng)景，占比高達(dá)35%。5G基站的激增，將帶動(dòng)FPGA用量的快速提升。

呂喆表示，5G基站主要從三個(gè)方面為FPGA帶來(lái)市場(chǎng)增量。一是5G商用初期，各設(shè)備廠家為了搶占產(chǎn)品和技術(shù)的制高點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)還未凍結(jié)之前就推出原型樣機(jī)或小批量生產(chǎn)，這只有通過(guò)可靈活編程的FPGA才能實(shí)現(xiàn)。二是在5G網(wǎng)絡(luò)的很多應(yīng)用場(chǎng)景中，F(xiàn)PGA是不可替代的。比如，5G通信的MIMO天線陣列和波束成形技術(shù)的出現(xiàn)，需要大量信號(hào)并行處理，F(xiàn)PGA是解決這類(lèi)需求的最理想的解決方案。三是5G時(shí)代在宏基站的基礎(chǔ)上，也可能會(huì)出現(xiàn)更多形態(tài)的微基站，推動(dòng)形成了FPGA的增量市場(chǎng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)場(chǎng)景對(duì)FPGA的需求也在日益提升。據(jù)賽迪顧問(wèn)預(yù)測(cè)，2022年我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到9146.5億美元。FPGA的高吞吐和靈活性，將在工業(yè)通信協(xié)議、傳感器融合、工業(yè)云計(jì)算加速等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

“未來(lái)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將把當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)百種不同協(xié)議統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的靈活性和硬實(shí)時(shí)性要求的逐漸演進(jìn)過(guò)程中，非常適合用FPGA來(lái)做核心控制器件，以實(shí)現(xiàn)控制通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、接口控制、傳感器數(shù)據(jù)融合?！卑猜房萍几笨偛藐惱庀颉吨袊?guó)電子報(bào)》表示。

數(shù)據(jù)中心、人工智能等高性能計(jì)算領(lǐng)域，也是FPGA的重要市場(chǎng)。目前，全球數(shù)據(jù)中心對(duì)加速器的市場(chǎng)需求超過(guò)百億美元。市場(chǎng)調(diào)研公司Semico Research預(yù)測(cè)，人工智能應(yīng)用中FPGA的市場(chǎng)規(guī)模將在2019—2023年增長(zhǎng)3倍，達(dá)到52億美元。

“人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心等主要解決的是計(jì)算問(wèn)題，F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)中心加速、人工智能加速、區(qū)塊鏈處理等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越多，F(xiàn)PGA集成多核處理器、AI計(jì)算單元、NOC（片上網(wǎng)絡(luò)）等計(jì)算加速部件，未來(lái)會(huì)形成非常有競(jìng)爭(zhēng)力的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，成為通用計(jì)算領(lǐng)域的重要組成。”陳利光說(shuō)。

在新能源汽車(chē)、自動(dòng)駕駛等車(chē)用領(lǐng)域，采用FPGA的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)將提升自動(dòng)駕駛平臺(tái)的靈活性和擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)從邊緣傳感器到域控制器的可擴(kuò)展性，并提供動(dòng)態(tài)重編程能力，降低系統(tǒng)成本與損耗。目前FPGA龍頭賽靈思大約有7000萬(wàn)顆汽車(chē)芯片用于ADAS中。

“汽車(chē)行業(yè)正在面臨著一些革命性的演進(jìn)，最受關(guān)注的演進(jìn)就是智能駕駛從ADAS在逐漸向全面自動(dòng)駕駛持續(xù)演進(jìn)。傳感器數(shù)量的增多勢(shì)必會(huì)帶來(lái)爆炸式的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)，這就需要汽車(chē)具備強(qiáng)大的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，能夠處理不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，將多傳感器同步和融合所帶來(lái)的系統(tǒng)整體響應(yīng)時(shí)間大大縮短。” 賽靈思大中華區(qū)核心市場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)酆毅向《中國(guó)電子報(bào)》記者指出。

新基建對(duì)FPGA性能提出新挑戰(zhàn)

在新基建的背景下，信息化升級(jí)將會(huì)催生越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景，這對(duì)于FPGA的性能指標(biāo)和架構(gòu)創(chuàng)新都提出了挑戰(zhàn)。對(duì)更大規(guī)模、更高性能純FPGA以及多核異構(gòu)智能化平臺(tái)提出要求。

“5G通信和數(shù)據(jù)中心加速等應(yīng)用，對(duì)高端FPGA的性能指標(biāo)提出了更高的要求，而人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用，則為多核異構(gòu)FPGA系統(tǒng)在邊緣計(jì)算場(chǎng)景下提供了大量的應(yīng)用機(jī)會(huì)。”呂喆說(shuō)。

陳利光表示，當(dāng)前FPGA技術(shù)主要向7nm以下最先進(jìn)工藝、更大的處理能力、更高的接口帶寬方向發(fā)展。面向新基建連接方面的需求，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的SoC FPGA，以及協(xié)同邏輯陣列、處理器、DSP、專用加速器等多種計(jì)算資源的異構(gòu)計(jì)算軟件編譯平臺(tái)，是未來(lái)的發(fā)展方向。

京微齊力創(chuàng)始人兼CEO王海力向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，要快速滿足新應(yīng)用環(huán)境下提出的各類(lèi)需求，F(xiàn)PGA需要采用異構(gòu)架構(gòu)，同時(shí)兼顧到能耗、性能和成本的要求。

“FPGA已經(jīng)由單一可編程芯片技術(shù)方案向多核異構(gòu)處理平臺(tái)型技術(shù)方案過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)‘軟件定義硬件，硬件適配生態(tài)’的新局面?！蓖鹾Ａφf(shuō)。

目前FPGA兩大龍頭企業(yè)賽靈思和英特爾都推出了基于FPGA的多核異構(gòu)智能產(chǎn)品。賽靈思推出的ACAP， 在傳統(tǒng)FPGA片上互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了NoC實(shí)現(xiàn)CPU、FPGA和AI引擎之間的互聯(lián)，速度較傳統(tǒng)FPGA有著20倍的提升。英特爾的Agilex SoC FPGA，基于10nm工藝，集成了四核Arm Cortex-A53處理器，可將數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算應(yīng)用的功耗降低40%。

酆毅表示，單獨(dú)的計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，無(wú)法滿足越來(lái)越多樣的開(kāi)發(fā)需求，伴隨工藝的進(jìn)步，F(xiàn)PGA也打破了傳統(tǒng)的應(yīng)用邊界，除以往的航天、通信、消費(fèi)電子、工控等應(yīng)用領(lǐng)域，還進(jìn)入到AI、數(shù)據(jù)中心、視頻處理、自動(dòng)駕駛、5G等新興領(lǐng)域，而FPGA也通過(guò)集成標(biāo)量處理引擎、自適應(yīng)硬件引擎和智能引擎，從器件向異構(gòu)平臺(tái)轉(zhuǎn)變。

“FPGA相關(guān)企業(yè)的研發(fā)方向需要向異構(gòu)計(jì)算轉(zhuǎn)型。在人才儲(chǔ)備中，F(xiàn)PGA企業(yè)將吸收來(lái)自AI、自動(dòng)駕駛、智慧城市等來(lái)自新基建行業(yè)的人才。產(chǎn)品策略方面，企業(yè)應(yīng)該更偏向于應(yīng)用層面的開(kāi)發(fā)，更貼近客戶需求，更多采用行業(yè)通用的開(kāi)發(fā)模式，通過(guò)更友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，滿足更多的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求?！?nbsp;酆毅說(shuō)。

我國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展通道

目前，我國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈在設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)均有所布局，在中低端市場(chǎng)形成了一定的生產(chǎn)和供應(yīng)能力。但是，我國(guó)FPGA產(chǎn)品主要集中在中小規(guī)模器件，在“新基建”多個(gè)領(lǐng)域所需的高端產(chǎn)品供應(yīng)方面，仍與國(guó)際龍頭存在差距，需要在性能指標(biāo)和量產(chǎn)能力上取得進(jìn)一步的突破。

王海力向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，我國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，特別在高端FPGA核心架構(gòu)層面，芯片設(shè)計(jì)與量產(chǎn)能力、軟件EDA工具、應(yīng)用開(kāi)發(fā)等，與國(guó)外廠商有較大的差距。但從近幾年產(chǎn)業(yè)發(fā)展的態(tài)勢(shì)來(lái)看，我國(guó)FPGA已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)快速發(fā)展的軌道。即使在同規(guī)格的FPGA產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比上，國(guó)內(nèi)FPGA公司的一些產(chǎn)品還做到了領(lǐng)先。

“我國(guó)FPGA在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的研發(fā)、生產(chǎn)與供應(yīng)有一定的基礎(chǔ)和保障，其產(chǎn)品也比較容易進(jìn)行適配。但是5G、人工智能、數(shù)據(jù)中心及汽車(chē)電子對(duì)FPGA的技術(shù)要求更為高端嚴(yán)苛，國(guó)產(chǎn)FPGA在供應(yīng)能力上仍有差距。隨著國(guó)內(nèi)FPGA廠商近幾年對(duì)中高端FPGA產(chǎn)品的持續(xù)研發(fā)，這種局面在未來(lái)兩三年會(huì)得到一定改善。應(yīng)該利用好新基建給不同應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)的發(fā)展契機(jī)，以及在技術(shù)上提出的新需求，夯實(shí)FPGA在新基建不同行業(yè)的植入基礎(chǔ)。”王海力說(shuō)。

面對(duì)新基建的市場(chǎng)增量和技術(shù)要求，我國(guó)企業(yè)該如何抓住機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)能力提升與市場(chǎng)拓展？

呂喆表示，對(duì)于國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈而言，首要的問(wèn)題仍是高端器件的突破，以此為基礎(chǔ)才能進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域，服務(wù)于新基建帶來(lái)的數(shù)字化、智能化升級(jí)。要進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈水平，一方面要推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游更緊密的合作，加強(qiáng)上游供應(yīng)鏈中流片廠、測(cè)試和封裝企業(yè)對(duì)FPGA設(shè)計(jì)公司的重點(diǎn)支持，與FPGA企業(yè)共同完成系統(tǒng)驗(yàn)證、量產(chǎn)催熟和產(chǎn)品方案迭代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；另一方面，要打通和搭建學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的交流通道和平臺(tái)，建立創(chuàng)新中心，加速產(chǎn)學(xué)研良性循環(huán)，為FPGA未來(lái)技術(shù)體系創(chuàng)新提供理論和學(xué)術(shù)支撐；同時(shí)，要出臺(tái)相應(yīng)政策吸引并留住高層次FPGA人才，建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，營(yíng)造和培養(yǎng)FPGA的硬件、軟件和IP生態(tài)。

賽迪顧問(wèn)高級(jí)分析師李秧向記者指出，F(xiàn)PGA技術(shù)門(mén)檻很高，國(guó)內(nèi)FPGA廠商要加大研發(fā)、人才投入，完善產(chǎn)品線，滿足中低端 FPGA的市場(chǎng)需要，又要致力于高性能、高品質(zhì)的FPGA的研發(fā)，補(bǔ)齊從EDA到高端制造、高端封測(cè)的產(chǎn)業(yè)鏈條，形成品牌效應(yīng)及穩(wěn)定的客戶關(guān)系，真正提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi) FPGA廠商要形成產(chǎn)業(yè)集聚和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從而降低成本，為下游客戶提供更好的產(chǎn)品服務(wù)。

王海力表示，國(guó)內(nèi)FPGA企業(yè)應(yīng)該繼續(xù)腳踏實(shí)地做好基礎(chǔ)研發(fā)，包括核心架構(gòu)設(shè)計(jì)、EDA軟件工具的開(kāi)發(fā)，完善面向應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)庫(kù)IP，逐步從低端FPGA產(chǎn)品向高端FPGA產(chǎn)品過(guò)渡。在深入了解客戶需求的情況下，在每一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上建立好高品質(zhì)交付的FPGA產(chǎn)品線。在培養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)人才的同時(shí)，也要大量培養(yǎng)圍繞FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)生態(tài)的人才隊(duì)伍，建立好產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的人才梯隊(duì)。

文中產(chǎn)品圖片由安路科技提供