近日，中國首款5G商用手機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?！苯衲?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)機會。
具體而言,，5G技術(shù)將構(gòu)建人,、機、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)實驗及商用進程方面領(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。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,，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?！?/p>
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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)客戶定制進行針對性的算法設(shè)計,。由于3GPP標(biāo)準(zhǔn)一直在演進，芯片開發(fā)的進度一般會滯后標(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實現(xiàn)功能，規(guī)?；院笤儆肁SIC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，加速新產(chǎn)品的上市進度搶占先機,。
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,。
中國移動5G基站原型機采用大規(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終端先行者計劃”，基于FPGA的原型機,，推進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行數(shù)字處理，在自適應(yīng)波束成形中產(chǎn)生了大量的計算負(fù)載,。
從4G到5G天線演進趨勢（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正在朝著獨立系統(tǒng)方向發(fā)展。而在5G通信應(yīng)用中,，需要實現(xiàn)算法,、高速接口及大規(guī)模邏輯單元?！?/p>
“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,?！睆V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,?！?/p>
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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加速成長的一個機會?！弊瞎馔瑒?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,、波束成形及基站協(xié)議升級之外，實際上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的上市計劃,，可用于更多通信應(yīng)用場景，預(yù)計能夠滿足通信設(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)也開始進一步加速。預(yù)計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,?！?/p>
對此，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金總裁丁文武也曾強調(diào)到：“投資人不僅僅要支持設(shè)計業(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?！壁w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,，實現(xiàn)在高端領(lǐng)域的自主化。