芯片，一個特別專業的領域，因為中美之間的貿易摩擦，走進大眾視野。

在“華為風波”中，當海思亮出“備胎”的時候，國人除了興奮，更是新增了一層擔憂：哪些產品是我們就算早早準備，但技術差距還比較大？

——FPGA!答案躍然紙上

近日，在36期中國與世界經濟論壇上，清華大學微電子學研究所所長魏少軍教授也強調到：“如果戰略性芯片依賴進口，或將帶來非常大的影響！”

什么是FPGA？

從定義上來講，FPGA，即現場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上發展而來，屬于集成電路中非常重要的門類之一，與微處理器、存儲器、AD/DA并稱為四大核心器件。

目前，在芯片市場主要分為CPU、GPU、FPGA與ASIC四大類型，在便利性、易用性、性能功耗及開發難度等方面，各具有優缺點：

具體而言，CPU和GPU由于引入了編譯系統，可將高級的軟件語言翻譯成為機器可以識別的指令，從而帶來了極大的便利性和易用性。相反，FPGA和ASIC芯片直接使用晶體管門電路實現運算，由于沒有中間層級，晶體管的效率更好，但是也犧牲了部分便利性和易用性，且開發的難度相對較高。

對于FPGA而言，其最大的特點就是可重復編程，靈活性上高于專用芯片ASIC，性能和實時處理能力優于CPU，常用于設計及驗證環節，以此加速產品的上市時間。但是由于其采用了軟硬件一體化的架構，相對于CPU和GPU而言，編譯難度較高，應用開發門檻偏高，并不適合海量應用。

FPGA國產化為何如此難？

和任何新生事物一樣，FPGA從誕生到發展壯大，不可避免地都要經過艱難的歷程。從發展的歷程來看，FPGA大致經歷了以下幾個階段：

1983-1992年

發明時代：產品邏輯門數量和工藝不具備競爭優勢，不受市場重視。

1992-1999年

擴展時代：SRAM制造工藝和EDA軟件的引入，使得FPGA容量翻番和成本減半，為大規模應用奠定基礎。

2000-2007年

積累時代：成功在數據通信市場打開局面，成為數字系統中的通用組件，并開始從門陣列向集成可編程邏輯的復雜系統過渡。

2008-2015年

系統時代：為解決系統設計問題，FPGA越來越多地整合系統模塊和功能，并推動了各類工具的發展。

2015年以后

智能時代：成為數據中心、人工智能的加速平臺，多核異構和自適應計算平臺成為新的方向，軟件開發者開始融入到FPGA的軟硬件生態系統。

從發展歷程來看，從1984年美國Xilinx公司推出了全球第一款FPGA產品XC2064算起，之后十多年間FPGA并沒有如預想般受市場青睞。由于進入的門檻高和持續不斷的研發投入，使得越來越多廠商在“嘗鮮”之后，便匆匆離場。

歷史上的FPGA公司

這30多年的發展，有40多家企業退出FPGA市場，其中不乏像TI、AMD、IBM、Toshiba、Samsung、Motorola這樣的大公司。目前國外僅存四家FPGA公司，分別是Xilinx、Intel、Lattice和Microsemi。除此之外，另外兩家公司Quicklogic和Archronix仍在苦苦掙扎。

對于國內企業而言，想要在FPGA領域有所突破，必須得破解專利和生態兩座大山。

由于國外企業起步較早，Xilinx和Altera兩大巨頭已經占據了90%的市場份額，并且和Lattice、Microsemi等公司通過近9000項專利構筑了牢固的知識產權壁壘，對于后進入者設定了重重障礙，這也是鮮有公司進入FPGA領域的重要原因。

國內FPGA市場份額情況

直至2010年左右，隨著FPGA部分專利技術開始到期，我國才出現了幾家采用正向設計的FPGA企業。但是此次全球FPGA產業格局已經基本確定，國內企業自成立之初，便面臨著強大的生存挑戰。據最新數據顯示，2018年全球FPGA市場約為60億美元，中國市場占比30%以上，Xilinx、Altera和Lattice幾乎完全壟斷了中國市場，國產廠商占比非常低。

從產業鏈角度而言，FPGA涉及到單元架構、IP、EDA軟件、制程工藝、封裝技術、專業人才等諸多方面，并且缺一不可。知名半導體專家謝志峰博士也認為：“發展FPGA必須在硬件和軟件兩方面共同發展，如果國內芯片制程工藝達不到要求，FPGA產業很難達到最先進的水平。”

FPGA需要芯片、EDA工具及IP完整生態

雖然說在硬件設計上，通過架構的創新可以繞開國外巨頭的技術封鎖，但是在高端EDA軟件方面，我國依然嚴重依賴國外公司，因此也限制了國內FPGA產業的發展。實際上也是如此，在經過近20多年發展，國內企業仍只能夠完成低密度產品的設計和制造，離數億規模的高端產品還相差甚遠。

此外，以Xilinx為代表的國外公司在中國市場已經深耕20多年，形成了非常強的產業生態，使得國內廠商進入的門檻異常高。由于FPGA產品的生命周期非常長，并且對于上游技術依賴很強，一旦使用很難實現完全替換。

這一點，復旦大學微電子學院副教授范益波也深有感觸：“在院校及科研應用領域，對FPGA性能要求比較高，目前主要采用Xilinx公司高端產品，國內FPGA企業還很難涉足。而在通用FPGA領域，國外企業產品線已經非常完善，并且價格上也不貴，國內產品想要實現替代是非常難的事情。”

范益波認為，雖然說國產FPGA面臨的處境比較艱難，但是還必須得做。因為硬件的發展將帶動配套軟件的進步，如EDA設計軟件，這也是非常有戰略意義的。

發展自主FPGA的戰略意義

正如前文所言，我國FPGA雖然起步艱難，但是作為戰略性芯片如果不能實現自主化，將嚴重影響我國信息安全及未來科技發展。

首先在軍事國防等特殊應用領域，雖然說FPGA的使用量占比不大，但是對于產品的安全性和可靠性要求異常嚴苛，涉及到國家安全和領土安全，廣泛應用于航天、航空、電子、通信、雷達、高端波束形成系統等領域。據相關統計顯示，國內90%的大型軍用電子設備都要用到FPGA。

以大型相控陣雷達為例，需要通過不同的T/R組件構成處理單元，對信號進行放大、移相、衰減等，每個單元中都需要一個FPGA。而在一個相控陣雷達系統中，這樣單元數量往往達到數千個。如果不能夠實現自主化，除了在供應上受制于人之外，還對國防安全帶來巨大的安全隱患。

其次是FPGA最大的目標市場通信領域，目前全球正處于4G向5G發展的階段。根據天風證券數據，一個5G基站對FPGA需求量幾乎是一個4G基站需求量的兩倍，使得FPGA的價值量比4G基站多大約1000美元。而隨著海量MIMO、云RAN、RRU/BBU的重構等，使得通信產業將經歷較長時間的優化和迭代過程。

由于FPGA具有可編程特性，非常契合這一迭代過程，只需要升級通信協議即可滿足迭代需求，在端到端網絡線卡的包處理方案、背板互連，網絡接口的幀生成器和MAC層通信管理，粘合邏輯、I/O擴展，光傳輸，信源和信道編碼，數字調制和擴頻，CFR峰值因數抑制，DPD數字預失真等方面都有巨大的應用潛力。

全球FPGA市場規模

針對通信市場，紫光同創市場總監呂?慈銜?骸巴ㄐ攀諧±?詞?PGA的主要目標市場，份額超過40%。雖然短期內，國產FPGA方案在邏輯規模和性能方面能夠提供的支撐還有限，但5G帶來的市場增量，確實是國產FPGA加速成長的一個機會。”

對于國內FPGA未來發展，呂?闖瀆?判模骸八孀拍Χ??傻鬧鸞ナ?В??PGA這種通用型芯片平臺，通過工藝節點的演進來大幅提升性能和降低功耗的路徑，將會越來越艱難，而應用驅動下的架構創新，可能會成為未來國產FPGA彎道超車的機會。”

與此同時，在新興應用芯片設計方面，FPGA早已經被證實是芯片設計驗證階段的首先方案。目前國內人工智能等新興產業發展迅猛，為了快速實現產品上市和降低研發風險，企業往往通過采購國外高端FPGA進行驗證及仿真，以提升芯片流片的成功率。

但是，在人工智能、自動駕駛、5G等新興應用領域，國內高端FPGA產品仍嚴重依賴進口。在中美科技競爭頻繁發生的背景下，如果不加大力度發展自主FPGA產業，未來在高科技領域也將受制于人。

如何破解國內FPGA產業困境？

由于FPGA行業技術門檻高、國內專利人才缺乏、投資回報周期很長、風險高等因素，資本市場對FPGA關注相對較少，國內FPGA企業普遍面臨著“生存挑戰”，國內企業在軟硬件投入方面往往力不從心。

據公開資料顯示，中國領軍企業紫光同創每年科研投入已超過2億元，但與全球領軍企業Xilinx每年5億美金的科研投入相比，還差距太大！面對國外企業在技術和生態方面的壟斷，單靠國內個別企業力量想要實現FPGA的突破，幾乎是不可能完成的任務。

“從根本上來講，國內FPGA產業想要打破對國外的依賴，避免被‘卡脖子’，需要政府牽頭才行。”范益波副教授指出：“如果單靠企業自主投資，基本上是不現實的，政府應該加大在FPGA領域的投入。”

在FPGA專業人才方面，我國還非常稀缺。據相關統計，美國從事FPGA產業的專業人員數量超過1萬人。以Xilinx公司為例，其員工超過3000人，研發人員就達到1500人。而中國從事FPGA產業的人員加起來，總共才1000人左右，差距非常明顯。

為了推廣國產FPGA品牌和培育未來市場，紫光同創啟動了高校“雛鷹計劃”，開展了一系列走進大學校園活動，并支持了多項全國大學生FPGA競賽。但生態系統的建立是一個持久戰，絕非三五年時間可以立竿見影的，國內企業要走的道路還很長。

在專業人才方面，半導體應用聯盟秘書長陶顯芳也認為：“由于FPGA編程技術比較專業，國內大部分工程師都不懂，這也限制了產業的發展。我認為需要建立一個專門的機構，協助使用單位編程及使用，加大FPGA的相關培訓力度。”

而對于應用端而言，面對貿易競爭的不確定性，應該更為積極地采用國產FPGA產品，以保障供應鏈的安全性。企業可以采用“雙供應鏈”的策略，逐步導入國產FPGA產品，以此加速國內FPGA產業進入正循環。

根據統計數據顯示，中國FPGA市場規模已經達到18億美元，相當于120億人民幣規模。其中，政府部門國產應用率還不足30%，商用市場國產占有率更是可以忽略不計。

對于國產FPGA產業而言，除了持續不斷的投入之外，還需要通過政府采購、鼓勵企業使用等措施，加快國產產品更新迭代的進程。只有真正的“用起來”，國內FPGA產業才能邁出關鍵的第一步！

寫在最后：

經過20多年的發展，國內FPGA產業已經初具規模，在消費電子、LED、工業、通信等應用領域也開始慢慢運用起來，實現了部分國外產品替代。

這是一個非常好的開端，但是需要追趕的距離還很遙遠，政府及應用端對這一戰略芯片還需要持續不斷的投入和支持！

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