解讀5G基站中作用很大的芯片-FPGA芯片

2020年12月11日，提起5G大家很容易想到華為，在華為的5G基站中有一類芯片，它的存在感不是很強(qiáng)，但它的作用很大，它就是FPGA芯片。

什么是FPGA芯片？

如果我們想快速了解一款芯片，最簡(jiǎn)單的方法就是調(diào)查它功能和用途，但這個(gè)方法對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)并不適用。

如果你真的去查FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景，你會(huì)得到一個(gè)很長(zhǎng)的名單，比如：通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、數(shù)據(jù)中心、人工智能、衛(wèi)星導(dǎo)航、醫(yī)療器械、圖像處理、視頻編碼、云計(jì)算、軍工等等。

可能有些人查到一半就開(kāi)始懵了，F(xiàn)PGA芯片的應(yīng)用范圍跨越了太多行業(yè)。那么FPGA芯片到底是什么呢？

答：是白紙。

如果我們把其它各種專用芯片比作不同風(fēng)格的畫(huà)作，那么FPGA芯片就是白紙。我們可以在白紙上畫(huà)出各種不同風(fēng)格的畫(huà)作，這就是FPGA。

假如你是一塊FPGA開(kāi)發(fā)板，你在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的一天可能是這樣度過(guò)的：

清晨，一批大二學(xué)生進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室。他們?yōu)榱送瓿勺蛱焱砩衔赐瓿傻捻?xiàng)目，開(kāi)始急匆匆的調(diào)整著相關(guān)的硬件。最終，他們完成了，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板變成了音樂(lè)播放器。

中午，一幫大三學(xué)生趕到了實(shí)驗(yàn)室，他們要參加省里的智能小車比賽。還是這塊FPGA開(kāi)發(fā)板，這回被他們借去測(cè)試智能小車的代碼。

下午，一個(gè)大四的學(xué)生來(lái)到了實(shí)驗(yàn)室，還是借這塊FPGA開(kāi)發(fā)板。不過(guò)他是用來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的，他要做一個(gè)電梯的控制模塊。

就這樣，一天過(guò)去了。同樣一塊FPGA開(kāi)發(fā)板，上午它是音樂(lè)播放器，中午它是智能小車，下午它又是電梯控制模塊。只是因?yàn)槊看嗡⑷氲拇a不同，F(xiàn)PGA芯片就具備了完全不同的功能，這就是FPGA的神奇之處。

FPGA的特點(diǎn)

首先一大特點(diǎn)就是靈活性，F(xiàn)PGA就像上文所說(shuō)的“白紙”一樣，可以通過(guò)“刷代碼”的方式改變用途和功能。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，很多機(jī)器是面向不同客戶出租的，因此硬件的用途經(jīng)常會(huì)發(fā)生改變。而這時(shí)如果用FPGA作為加速卡就會(huì)非常方便了，設(shè)備用途改變的同時(shí)，F(xiàn)PGA這邊也同步進(jìn)行改變就可以了。

特別是對(duì)于人工智能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更為明顯，比如現(xiàn)在流行一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)準(zhǔn)過(guò)一段時(shí)間另一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又變得熱門了，而且算法也會(huì)隨之時(shí)間不斷更新。這種情況下可能就需要不斷更換硬件，最大限度的去貼合算法需求。而FPGA就方便很多了，需要進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候重新刷入就可以了，在節(jié)約時(shí)間的同時(shí)也減少了成本。

FPGA除了靈活性以外，另外一大特點(diǎn)就是并行了。如何理解并行呢？

比如我們?cè)谥苣┮黾覄?wù)的時(shí)候，用洗衣機(jī)洗衣服15分鐘，洗菜5分鐘，做飯20分鐘。那么一共需要多少時(shí)間呢？如果順序進(jìn)行這些家務(wù)的話，那就需要40分鐘。但是我們可以發(fā)現(xiàn)，在洗衣機(jī)洗衣服的時(shí)候我們是可以同時(shí)干其它家務(wù)的，這樣一來(lái)我們只需要25分鐘就可以做完這些家務(wù)了。

由此可見(jiàn)，并行可以大大提高效率，也正是因?yàn)檫@樣，F(xiàn)PGA可以幫助CPU加速計(jì)算。

但值得說(shuō)明的是，不是所有任務(wù)都適合并行。比如我們必須在洗完菜之后才能做飯，這兩個(gè)任務(wù)就不能并行完成。因此FPGA的加速往往是針對(duì)一種或者一類任務(wù)，并不會(huì)像CPU那樣解決所有問(wèn)題。

FPGA和ASIC

FPGA全稱現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列，它屬于一種半定制電路。而ASIC稱為專用集成電路。

這兩個(gè)其實(shí)都可以算是“白紙”，只不過(guò)在FPGA的“白紙”上我們畫(huà)的是鉛筆畫(huà)，而設(shè)計(jì)并制造ASIC芯片時(shí)，我們是在“白紙”上畫(huà)水彩畫(huà)。

兩者其實(shí)都具有相當(dāng)?shù)撵`活性，只不過(guò)對(duì)于ASIC來(lái)說(shuō)，當(dāng)水彩畫(huà)完成也就是芯片造出來(lái)的時(shí)候，就已經(jīng)沒(méi)有什么修改的空間了。而FPGA的鉛筆畫(huà)是可以擦了重新畫(huà)的。

另外一方面，如果對(duì)于同樣一個(gè)電路，其它條件也大致等同的情況下，ASIC的性能是比FPGA強(qiáng)的。就像水彩畫(huà)比鉛筆畫(huà)色彩更鮮艷。因此如果一個(gè)電路在后期不需要更改的情況下，出于性能（功耗、速度、芯片面積）方面的考慮，選ASIC更合適。

當(dāng)然以上所說(shuō)的只是性能方面的考量，在實(shí)際選擇中還會(huì)有其它因素的影響，比如成本。

ASIC的起步成本是十分高昂的，對(duì)于一些先進(jìn)的工藝制程來(lái)說(shuō)，流片一次的成本就可能直接上億。而FPGA的起步成本非常低，在淘寶上就能以幾百塊包郵的價(jià)格買到相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板。而且由于ASIC制造之后不可更改，所以就有可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理或者相應(yīng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上反饋不好，以至于相關(guān)開(kāi)發(fā)成本打水漂的情況。對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)就很少有這方面風(fēng)險(xiǎn)了，如果設(shè)計(jì)有問(wèn)題，后期還可以再次調(diào)整，即使項(xiàng)目規(guī)劃有問(wèn)題，買入的FPGA芯片也可再次出售或用在其它項(xiàng)目中。但另一方面，ASIC規(guī)?；a(chǎn)后邊際成本非常低，而基于FPGA設(shè)計(jì)的產(chǎn)品則難以通過(guò)大批量生產(chǎn)獲得邊際成本紅利。

舉例來(lái)說(shuō)就是，今天想吃羊肉串，ASIC就像自助餐，進(jìn)門費(fèi)用很高，但進(jìn)去之后吃三串和吃十串費(fèi)用上的區(qū)別就不大了。而FPGA就像一般餐館，基本沒(méi)有最低消費(fèi)，進(jìn)去點(diǎn)多少吃多少。但是很少會(huì)因?yàn)槟泓c(diǎn)的多就給你優(yōu)惠。但芯片總會(huì)要更新的，就想吃羊肉串吃多了會(huì)膩，之后可能就想吃排骨了。但是在這個(gè)自助餐店里沒(méi)有排骨。那怎么辦呢，去另一家有排骨的自助餐餐廳里重新交錢吃，這就是ASIC成本上的特點(diǎn)。但對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)，換一家餐廳點(diǎn)餐就可以了，反正都沒(méi)有最低消費(fèi)。

因此，對(duì)于一些中小公司來(lái)說(shuō)，如果他們的產(chǎn)品對(duì)于性能有一定要求，需要相對(duì)先進(jìn)的工藝制程的話，他們根本負(fù)擔(dān)不起一次先進(jìn)工藝的流片費(fèi)用，那么只能選擇FPGA了。如果他們的產(chǎn)品對(duì)于性能要求不是很高的話，就有可能選擇成熟工藝的ASIC，老工藝的流片成本還是比較低的。

而對(duì)于大公司就要分情況討論了，如果目標(biāo)產(chǎn)品需要經(jīng)常改變，那么就用FPGA。如果目標(biāo)產(chǎn)品只是開(kāi)發(fā)初期需要經(jīng)常改變，但定型之后不會(huì)修改的，那么就在初期選擇FPGA，在定型后轉(zhuǎn)向ASIC。如果一個(gè)芯片產(chǎn)品已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在第二年只是推出新款的話，也有可能直接使用ASIC。

另外一方面，就是開(kāi)發(fā)周期了。先進(jìn)工藝的流片費(fèi)用很高，除了高昂的費(fèi)用之外，它的開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)。ASIC芯片制作過(guò)程也是很花時(shí)間的，所以有些公司為了讓自己的產(chǎn)品更快上市，占據(jù)相應(yīng)的市場(chǎng)，也會(huì)選擇FPGA。

國(guó)產(chǎn)FPGA

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)資料整理

以2018年的數(shù)據(jù)為例，在全球FPGA市場(chǎng)上，Xilinx（賽靈思）、intel（英特爾）、Microsemi（美高森美）、Lattice （萊迪思）這四家公司就占據(jù)了大概96%的市場(chǎng)份額。這四家公司和排名第五的QuickLogic均是美國(guó)公司，而且在市場(chǎng)占有率僅為2%的其它公司中，也還包含著一些美國(guó)公司。

國(guó)內(nèi)的一些FPGA公司比如紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電子、高云半導(dǎo)體等企業(yè)尚在發(fā)展階段，與國(guó)外一些先進(jìn)的FPGA公司之后仍有一定差距。

工藝上的差距

截取自Xilinx官網(wǎng)

截取自intel官網(wǎng)

以Xilinx和intel，這兩家公司都提供了不同工藝制程的FPGA產(chǎn)品，這樣就可以更好的滿足不同需求不同預(yù)算的客戶。其中Xilinx的FPGA產(chǎn)品目前所采用的最先進(jìn)工藝為16nm，而intel為10nm。（僅統(tǒng)計(jì)目前官網(wǎng)上展示的FPGA產(chǎn)品，故未統(tǒng)計(jì)例如Xilinx 7nm工藝的ACAP類產(chǎn)品）

截取自紫光同創(chuàng)官網(wǎng)

而國(guó)內(nèi)FPGA廠商，以紫光同創(chuàng)為例，其目前的FPGA產(chǎn)品種類相對(duì)較少，目前其官網(wǎng)上的FPGA產(chǎn)品所采用的最先進(jìn)工藝為40nm。大概今年3月，紫光同創(chuàng)發(fā)布了28nm工藝的Logos-2系列FPGA，但目前在官網(wǎng)的產(chǎn)品頁(yè)上未找到相關(guān)信息，僅有發(fā)布的新聞資訊。

截取自intel官網(wǎng)

另一方面，以intel的Stratix系列FPGA為例，其40nm產(chǎn)品Stratix IV推出年份為2008年，28nm產(chǎn)品Stratix V推出時(shí)間為2010年。

推廣上的差距

對(duì)于FPGA產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，除了向企業(yè)推廣以外，向?qū)W校推廣也是非常重要的。一般來(lái)說(shuō)FPGA廠商提供的并不只是FPGA芯片，而是包括EDA工具在內(nèi)的相對(duì)完整的解決方案。各家廠商一般都會(huì)有自己的EDA工具，比如Xilinx的Vivado、intel的QuartusII、紫光同創(chuàng)的PDS，這些都屬于各家的FPGA軟件工具。不同軟件在功能和使用習(xí)慣上是有差異的。所以如果能讓學(xué)校里這些未來(lái)的FPGA工程師們能先習(xí)慣使用自家的EDA工具和芯片是非常重要的。

就像現(xiàn)在桌面操作系統(tǒng)有兩大廠商，推出WINDOWS操作系統(tǒng)的微軟和推出MAC操作系統(tǒng)的蘋果。如果學(xué)生在學(xué)校期間經(jīng)常使用WINDOWS系統(tǒng)的話，那么他畢業(yè)之后也會(huì)傾向于使用和購(gòu)買搭載WINDOWS系統(tǒng)的設(shè)備。如果經(jīng)常使用MAC系統(tǒng)的話也會(huì)傾向于購(gòu)買蘋果的設(shè)備。

以清華大學(xué)為例，早在1994年，Xilinx就在清華大學(xué)成立了中國(guó)大陸第一個(gè)培訓(xùn)中心。

數(shù)據(jù)來(lái)自BOSS直聘

在boss直聘上，清華大學(xué)招聘FPGA工程師的崗位描述上明確指出了需要熟悉Altera/Xilinx FPGA設(shè)計(jì)流程。

數(shù)據(jù)來(lái)自BOSS直聘

數(shù)據(jù)來(lái)自BOSS直聘

也有很多其它企業(yè)招聘FPGA工程師時(shí)會(huì)明確要求掌握intel（Altera）/Xilinx的設(shè)計(jì)流程，少數(shù)企業(yè)也會(huì)要求掌握Lattice的設(shè)計(jì)流程。由此可見(jiàn)，intel和Xilinx的推廣是比較成功的，紫光同創(chuàng)其實(shí)也在朝這個(gè)方向努力。

出自第七屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)·應(yīng)用創(chuàng)新大賽杯賽題目

以2017年第七屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)·應(yīng)用創(chuàng)新大賽-紫光同創(chuàng)企業(yè)杯為例，在紫光同創(chuàng)企業(yè)杯的各種賽題中，設(shè)計(jì)要求里都會(huì)有一條：使用紫光同創(chuàng)Titan系列FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。紫光同創(chuàng)就是通過(guò)這樣的方式來(lái)推廣自己的產(chǎn)品。

這樣一些，部分相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生在畢業(yè)之前就能獲得紫光FPGA的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并且開(kāi)始熟悉紫光FPGA的開(kāi)發(fā)流程。不過(guò)這種推廣具體反饋到企業(yè)那邊的效果如何，這還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。

挑戰(zhàn)

由于美國(guó)出口管制實(shí)體清單以及一系列美國(guó)政策的出現(xiàn)，很多中國(guó)企業(yè)都開(kāi)始著手于“國(guó)產(chǎn)替代化”的事業(yè)。特別是針對(duì)像FPGA這樣由美國(guó)公司達(dá)成高度壟斷的市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)替代化的重要性不言而喻。這對(duì)于像紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電子、高云半導(dǎo)體這些國(guó)產(chǎn)FPGA廠商來(lái)說(shuō)是機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi)FPGA廠商的FPGA芯片和EDA工具與美國(guó)大廠相比仍有一定差距，因此目前國(guó)產(chǎn)廠商的FPGA產(chǎn)品尚不能完全替代美國(guó)的FPGA產(chǎn)品。而追上這些差距對(duì)于國(guó)產(chǎn)FPGA廠商來(lái)說(shuō)也是一大挑戰(zhàn)。

責(zé)任編輯：PSY