5G基站中被美国垄断的“白纸”芯片FPGA

2020年12月11日,提到5G大伙儿非常容易想起华为公司,在华为公司的5G基站中有一类芯片,它的优越感并不是很强,但它的功效非常大,它便是FPGA芯片。

什么叫FPGA芯片?

如果我们想迅速掌握一款芯片,非常简单的方式便是调研它作用和主要用途,但这一方式针对FPGA而言并不适合。

假如你确实去查FPGA的应用领域,你能获得一个较长的名册,例如:网络通信、物联网技术、网络信息安全、大数据中心、人工智能技术、卫星导航系统、医疗机械、图象处理、视频解码、云计算技术、军用这些。

很有可能有的人查到一半就刚开始愣住,FPGA芯片的运用范畴超越了过多领域。那麼FPGA芯片究竟是什么呢?

答:是白纸。

如果我们把其他各种各样专用型芯片比成不一样设计风格的美术作品,那麼FPGA芯片便是白纸。我们可以在白纸上绘制各种各样不一样设计风格的美术作品,这就是FPGA。

倘若你是一块FPGA开发板,你一直在高校试验室里的一天可能是那样渡过的:

早晨,一批大二学员进入了试验室。她们为了更好地进行昨晚没完成的新项目,刚开始急急忙忙的调节着有关的硬件配置。最后,她们完成了,FPGA开发板变成了音乐播放软件。

下午,一帮大三学员赶来了试验室,她们要报名参加省厅的智能车赛事。還是这方面FPGA开发板,这次被她们借去检测智能车的编码。

中午,一个大四的学员赶到了试验室,還是借这方面FPGA开发板。但是他是用于做毕业设计论文的,他要做一个电梯轿厢的模块。

就是这样,一天过去。一样一块FPGA开发板,早上它是音乐播放软件,下午它是智能车,中午它也是电梯轿厢模块。仅仅由于每一次刷入的编码不一样,FPGA芯片就具有了彻底不一样的作用,这就是FPGA的奇妙之处。

FPGA的特性

最先一大特性便是协调能力,FPGA如同上文常说的“白纸”一样,能够根据“刷编码”的方法更改主要用途和作用。

针对大数据中心而言,许多 设备是朝向不一样顾客租赁的,因而硬件配置的主要用途常常会发生改变。而这时候假如用FPGA做为加速卡便会十分便捷了,机器设备主要用途更改的另外,FPGA这里也顺利进行更改就可以了。

尤其是针对人工智能技术行业的优点更加显著,例如如今时兴一种神经元网络,指不定过一段时间另一种神经元网络又越来越受欢迎了,并且优化算法也会随着時间不断创新。这类状况下很有可能就必须持续拆换硬件配置,最大限度的去迎合优化算法要求。而FPGA就便捷许多 了,必须开展调节的情况下再次刷入就可以了,在节约时间的另外也降低了成本费。

FPGA除开协调能力之外,此外一大特性便是并行处理了。怎样看待并行处理呢?

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例如大家在周末要家务劳动的情况下,用全自动洗衣机洗床单15分钟,刷碗五分钟,煮饭二十分钟。那麼一共必须是多少時间呢?假如次序开展这种家务活得话,那么就必须40分钟。可是我们可以发觉,在全自动洗衣机洗床单的情况下我们都是能够另外干其他家务活的,这样一来大家只必须25分鐘就可以做了这种家务活了。

不难看出,并行处理能够进一步提高高效率,也更是由于那样,FPGA能够协助CPU加快测算。

但非常值得表明的是,并不一定每日任务都合适并行处理。例如大家务必在洗好菜以后才可以煮饭,这两个每日任务就不可以并行处理进行。因而FPGA的加快通常是对于一种或是一类每日任务,并不会像CPU那般处理全部难题。

FPGA和ASIC

FPGA全名当场可编程逻辑门阵列,它归属于一种半订制电源电路。而ASIC称之为专用型集成电路芯片。

这两个实际上都能够算作“薄纸”,只不过是在FPGA的“薄纸”上大家画的是铅笔画,而设计方案并生产制造ASIC芯片时,我们都是在“薄纸”上画水彩画。

二者实际上都具备非常的协调能力,只不过是针对ASIC而言,当水粉画进行也就是芯片造出的情况下,就早已没什么改动的室内空间了。而FPGA的铅笔画是能够擦了再次画的。

此外一方面,假如针对一样一个电源电路,其他标准也大概等同于的状况下,ASIC的性能是比FPGA强的。如同水粉画比铅笔画颜色更艳丽。因而假如一个电源电路在中后期不用变更的状况下,出自于性能(功能损耗、速率、芯片总面积)层面的考虑到,选ASIC更适合。

自然之上常说的仅仅性能层面的考虑,在具体挑选中还会继续有其他要素的危害,例如成本。

ASIC的发展成本是十分昂贵的,针对一些优秀的加工工艺工艺而言,流片一次的成本就很有可能立即上亿。而FPGA的发展成本极低,在淘宝网就能以几百元免邮的价钱购到相对的单片机开发板。并且因为ASIC生产制造以后不能变更,因此 就会有很有可能由于设计方案不科学或是相对产品在销售市场上意见反馈不太好,以致于有关开发设计成本浪费的状况。针对FPGA而言就非常少有这些方面风险性了,假如设计方案有什么问题,中后期还能够再度调节,即便 整体规划有什么问题,买进的FPGA芯片也可再度售卖或用在其他新项目中。但另一方面,ASIC产业化生产制造后边界成本极低,而根据FPGA设计方案的产品则无法根据批量生产得到 边界成本收益。

举例来说便是,今日爱吃烤羊肉,ASIC如同自助餐厅,进门处花费很高,但进来以后吃三串和吃十串花费上的差别就并不大了。而FPGA如同一般餐饮店,基础沒有低消,进来点是多少吃是多少。可是非常少会由于你点的多就让你特惠。但芯片都会要升级的,就爱吃烤羊肉吃多了会腻,以后很有可能就爱吃猪排骨了。可是在这个自助餐厅店内沒有猪排骨。那怎么办呢,去另一家有猪排骨的自助餐厅饭店里再次交费吃,这就是ASIC成本上的特性。但针对FPGA而言,换一家饭店点单就可以了,总之也没有低消。

因而,针对一些中小型企业而言,假如她们的产品针对性能有一定规定,必须相对性优秀的加工工艺工艺得话,她们压根承受不起一次先进工艺的流片花费,那麼只有挑选FPGA了。假如她们的产品针对性能规定并不是很高得话,就会有很有可能挑选完善加工工艺的ASIC,老加工工艺的流片成本還是较为低的。

而针对大企业就需要分状况探讨了,假如总体目标产品必须常常更改,那麼就用FPGA。假如总体目标产品仅仅开发设计前期必须常常更改,但定形以后不容易改动的,那麼就在前期挑选FPGA,在定形后转为ASIC。假如一个芯片产品早已拥有非常的开发设计工作经验,在第二年仅仅发布最新款得话,也是有很有可能立即应用ASIC。

此外一方面,便是开发进度了。先进工艺的流片花费很高,除开昂贵的花费以外,它的开发进度也相对性较长。ASIC芯片制作过程也是很花时间的,因此 一些企业为了更好地让自身的产品更快发售,占有相对的销售市场,也会挑选FPGA。

国内FPGA

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依据互联网公布材料梳理

以2018年的数据信息为例子,在全世界FPGA销售市场上,Xilinx(赛灵思)、intel(intel)、Microsemi(美高森美)、Lattice (莱迪思)这四家公司就占有了大约96%的市场占有率。这四家公司和排名第五的QuickLogic均是美国公司,并且在市场份额仅为2%的其他公司中,也还包括着一些美国公司。

中国的一些FPGA公司例如紫光同创、复旦微电子、高云半导体等公司尚在发展趋势环节,与海外一些优秀的FPGA公司以后仍有一定差别。

加工工艺上的差别

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截取自Xilinx官网

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截取自intel官网

以Xilinx和intel,这俩家企业都出示了不一样工艺制程的FPGA产品,那样就可以更强的考虑不一样要求不一样成本预算的顾客。在其中Xilinx的FPGA产品现阶段所选用的最先进工艺为16nm,而intel为10nm。(仅统计现阶段官在网上展现的FPGA产品,故未统计比如Xilinx 7nm工艺的ACAP类产品)

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截取自紫光同创官网

而中国FPGA生产商,以紫光同创为例子,其现阶段的FPGA产品类型相对性较少,现阶段其官在网上的FPGA产品所选用的最先进工艺为40nm。大约2020年3月,紫光同创发布了28nm加工工艺的Logos-2系列FPGA,但现阶段在官方网站的产品页上找不到基本信息,仅有发布的资讯新闻。

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截取自intel官网

另一方面,以intel的Stratix系列产品FPGA为例,其40nm产品Stratix IV推出年代为2008年,28nm产品Stratix V推出時间为2010年。

营销推广上的差别

针对FPGA产品而言,除开向企业品牌推广之外,向学校推广也是十分关键的。一般来说FPGA厂商出示的并不只是FPGA集成ic,只是包含EDA工具以内的相对性详细的解决方法。每家厂商一般都是会有自身的EDA工具,例如Xilinx的Vivado、intel的QuartusII、紫光同创的PDS,这种都归属于每家的FPGA手机软件工具。不一样手机软件在作用和应用习惯性上是有差别的。因此 假如能让院校里这种将来的FPGA技术工程师们能先习惯性应用自己的EDA工具和集成ic是十分关键的。

如同如今桌面操作系统有几大厂商,推出WINDOWS电脑操作系统的微软公司和推出MAC电脑操作系统的iPhone。假如学员校园内期内常常应用WINDOWS系统软件得话,那麼他大学毕业以后也会倾向于应用和选购配用WINDOWS系统软件的机器设备。假如常常应用MAC系统软件得话也会倾向于选购iPhone的机器设备。

以清华为例,早在1994年,Xilinx就在清华创立了中国内地第一个培训学校。

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数据来自BOSS直聘

在boss直聘上,清华大学招聘FPGA工程师的岗位描述上明确指出了需要熟悉Altera/Xilinx FPGA设计流程。

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数据来自BOSS直聘

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数据来自BOSS直聘

也有很多其它企业招聘FPGA工程师时会明确要求掌握intel(Altera)/Xilinx的设计流程,少数企业也会要求掌握Lattice的设计流程。由此可见,intel和Xilinx的推广是比较成功的,紫光同创其实也在朝这个方向努力。

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源于第七届学生集成电路芯片设计·运用创新大赛联赛题型

以2017年第七届学生集成电路芯片设计·运用创新大赛-紫光同创公司杯为例子,在紫光同创公司杯的各种各样赛题中,设计规定里都是会有一条:应用紫光同创Titan系列产品FPGA开展设计。紫光同创便是根据那样的方法来推广自己的商品。

那样一些,一部分有关技术专业的学生在大学毕业以前就能得到 紫光FPGA的开发设计工作经验,而且刚开始了解紫光FPGA的开发流程。但是这类营销推广实际意见反馈到公司那里的实际效果怎样,这还必须時间的检测。

挑戰

因为美国出口管制实体清单及其一系列美国现行政策的出現,许多 中国公司都刚开始着手于“国产替代化”的工作。尤其是对于像FPGA那样由美国企业达到高宽比垄断性的销售市场,国产替代化的必要性显而易见。这针对像紫光同创、复旦微电子、高云半导体这种国内FPGA厂商而言是机会。现阶段中国FPGA厂商的FPGA集成ic和EDA专用工具与美国大型厂对比仍有一定差别,因而现阶段国内厂商的FPGA商品尚不可以彻底取代美国的FPGA商品。而追赶这种差别针对国内FPGA厂商而言也是一大挑戰。

 

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