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5G商用正式拉開序幕，一場通信史上的重大變革也正在發生!
與4G通信相比，即將到來的5G時代，對通信網絡提出了更高的要求，具備高速度、泛在網、低功耗、低延時等特性。目前相關技術和標準還在持續演進和迭代中，市場上還沒有形成統一的方案，需要在網絡、設備及終端靈活應對，可編程的FPGA芯片將由此獲利!
5G成全球爭奪的戰略高地
“5G競賽已經開始，美國必須贏?！苯衲?月的演講中，美國總統唐納德·特朗普的一句話，再一次印證了5G的重要性!
我們都知道，移動通信技術每10年都將迎來一次變革。相對于之前的通信技術，5G的重大意義在于“萬物互聯”，顛覆了傳統通信模式，由此也將衍生出更多的應用場景及商業機會。
具體而言，5G技術將構建人、機、物三元融合的互聯，作為新一代信息通信基礎設施，承載著人工智能、自動駕駛、VR/AR、無人機等應用，成為下一輪科技浪潮的先驅。為此，5G也成為各國的爭相攻占的戰略高地。
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，在技術研發實驗及商用進程方面領先于其他國家。6月6日，中國工信部正式發放5G商用牌照，中國移動、中國聯通、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產業在頻譜、芯片、終端、運營商等環節關鍵因素都已經齊備，整體水平已經處于國際第一梯隊。更為重要的是，在國家意識的推動下，中國5G產業布局的決心非常明確，加之華為、中興、紫光展銳等設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產業還處于剛剛起步階段。由于我國消費人口基數大，移動通信技術成長迅速，我國在5G通信設備技術方面處于國際領先水平，例如華為輪值董事長梁華就曾表示，華為5G技術成熟度領先其它公司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，目前在通信領域應用方面國內基本依賴進口，在5G通信方面國外壟斷情況更加嚴峻。
“FPGA的核心技術目前主要被美國企業控制，歐洲和日本和中國一樣，沒有核心技術，超過90%的核心專利在美國人手里”，廣東省5G中高頻器件創新中心專家認為：“FPGA的研發投入周期是芯片周期中最長的，往往超過5年，所以很多企業堅持不下來，國內FPGA企業也多數沒有成型?！?/p>
另據國內5G知名廠商透露，5G設備主板外圍都需要大量用到FPGA。雖然不同5G設備功能不同，需要的FPGA數量不盡相同，但是FPGA對于5G產業可以說是不可或缺的關鍵芯片!
對此，廣東省5G中高頻器件創新中心專家也做了具體解釋：“5G網絡由于頻率增高，網絡覆蓋難度加大，基站設備復雜度也增加很多，FPGA的用量相比4G設備超過1倍以上?！?/p>
FPGA加速5G技術變革
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列，擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據客戶定制進行針對性的算法設計。由于3GPP標準一直在演進，芯片開發的進度一般會滯后標準2年左右。為了在5G通信爭奪中保持領先，前期企業都需要用FPGA實現功能，規?；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架構等大量新技術引入其中，而隨著接入設備的增加，大量的微基站也在興起，在網絡應用和運維通過較長時間達到最優之前，靈活的FPGA方案被寄予厚望，正在成為各大設備及系統廠商的首選。
1、初期階段：加速產品上市進度
相對于ASIC芯片而言，FPGA最大的優勢是可以重復編程，并且能夠執行ASIC的所有邏輯功能。在技術還未成熟階段，采用FPGA方案能夠降低成本與開發風險，加速新產品的上市進度搶占先機。
特別是在5G初期，技術預演需要走在標準制定之前，考慮到后續標準制定過程中的變動性，FPGA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開發的5G基站原型平臺，為5G技術發展積累了大量經驗。
中國移動5G基站原型機采用大規模FPGA陣列(資料來源：中國移動)
隨后在MWC 2018期間的 GTI峰會上，中國移動聯合國內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終端產業的創新與成熟。
2、大規模天線：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，大規模天線(Massive MIMO)是5G引入的關鍵技術之一。隨之而來收發通道數從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字處理，在自適應波束成形中產生了大量的計算負載。
從4G到5G天線演進趨勢(資料來源：中興通訊)
如果采用傳統的CPU和DSP芯片，將導致負載過重，FPGA在I/O 、運算速度及延遲上均具有優勢。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節省更換成本
由于通信基站中負責實現通信協議中物理層、邏輯鏈路層的協議部分，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，在標準還沒有完全凍結之時，運營商不可能立即更換基站設備，而是采用在原有基礎上升級的過渡方案，FPGA將在這一過程中必不可少。
5G基站大規模采用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，FPGA的價值量比4G基站多大約1000美元的價值量。5G產業的發展，將成為全球FPGA產業新的增長引擎。另據Dell’ Oro Group報告分析，未來五年5G 新空口大規模天線陣列收發器的出貨量將超過5000萬個，由此也將帶動FPGA使用量的“迅猛式”增長。
西安卓聯電子科技有限公司總經理、FPGA技術聯盟公眾號創始人趙吉成表示：“FPGA技術發展至今，大致經歷了三代革新。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FPGA正在朝著獨立系統方向發展。而在5G通信應用中，需要實現算法、高速接口及大規模邏輯單元。”
“目前，中興和華為有些小規模試用國產FPGA產品，市場主要是給一些小型的企業配套。”廣東省5G中高頻器件創新中心專家認為：“FPGA的國產化替代應該有很大的空間的，但是難度也非常大?！?/p>
國內企業能否分一杯羹?
“5G帶來的市場增量，以及由此帶來的系統廠商設備升級的需求，將成為國產FPGA加速成長的一個機會?！弊瞎馔瑒撌袌隹偙O呂喆首先看到的是，巨大的市場增量給行業帶來的機遇。
那么，增量有多大?
根據天風證券的預測，在5G等新興應用的推動下，2025年全球FPGA市場規模將達到125億美元左右，年復合增長率為10.22%。其中電子通信應用市場規模將達到44億美元左右。
如果按照30%的占比來看，在電子通信應用領域，到2025年中國市場就能為FPGA提供超過13億美元需求，而國內企業在該領域的還幾乎是空白。
在應用方面，除了原型設計、波束成形及基站協議升級之外，實際上FPGA在通信領域使用非常廣，在傳輸網和骨干網，數字信號調制和基帶處理、接口處理，DFE數字前端信號處理、接口轉換等領域都有應用。
FPGA在5G領域的應用(資料來源：芯師爺)
而對于通信應用而言，由于需要處理大量的運算，千萬門級高性能FPGA是一個門檻。目前國內僅紫光同創推出了自主產權2000千萬門級高性能FPGA產品，填補了國內在中高端大規模FPGA市場的空白，但由于工藝和性能落后等因素，只可用于接口轉換、系統控制、報文協處理等普通通信應用場景需求。
另外，據公開資料顯示，紫光同創、上海安路、廣東高云等中國FPGA領先廠商均發布了28nm工藝1000萬門級自主產權FPGA的上市計劃，可用于更多通信應用場景，預計能夠滿足通信設備領域的絕大部分中低端FPGA應用場景的使用需求，但無線基帶處理、高速傳輸和交換、承載網和核心網業務處理等高端通信應用場景所需要的5000萬門級、乃至億門級自主產權超高性能FPGA產品，還沒有規劃，還有待解決。
截至2018年底，中國5G基站數量就已經達到了35萬個，而美國僅僅只有3萬個。隨著今年6月工信部正式發布5G牌照，5G基站建設也開始進一步加速。預計2019年全年中國5G基站數量將新增15萬個，領先于全球其他國家。毫無疑問，5G技術所帶來的變革將在中國市場率先落地，由此也將帶來國內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FPGA的未來出路有了更長遠的思考：“5G網絡在傳輸延時和數據精度等方面，對系統和芯片方案提出了更高的要求，對國產FPGA來說，既是機遇，也是挑戰。如果能與國內通信設備系統廠商一起合作的話，將加速國產FPGA產品在通信和5G應用領域的催熟?！?/p>
對此，國家集成電路產業投資基金總裁丁文武也曾強調到：“投資人不僅僅要支持設計業，還要支持像CPU、DSP、FPGA、MEMS這樣戰略性的高端芯片領域?！?/p>
“我們起步比國外企業晚了近20年，國內外差距還非常明顯，高端領域國內企業幾乎還沒有涉足?！壁w吉成認為：“未來一段時間內，國內FPGA產業都將處于追趕階段，但是近幾年國家對芯片自主化關注越來越高，這也是一個難得機會。”
寫在最后：
作為移動通信領域又一個重大變革，5G技術和產業還僅僅邁出了第一步，FPGA在其技術演進中扮演者不可或缺的角色，而國內還處于空白狀態。全球5G的爭奪正變得愈發激烈，想要在5G領域真正領跑，不再受制于人，必須加大對國內FPGA產業的扶持力度，實現在高端領域的自主化。
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