近日,中國首款5G商用手機(jī)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(jìn)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!
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。”今年4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(jī)會。
具體而言,5G技術(shù)將構(gòu)建人、機(jī)、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(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)及商用進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(duì)。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(jìn),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(fèi)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(jìn)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(jiān)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>
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(jìn)行針對性的算法設(shè)計。由于3GPP標(biāo)準(zhǔn)一直在演進(jìn),芯片開發(fā)的進(jìn)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(shí)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(yùn)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(jìn)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(jìn)度搶占先機(jī)。
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(yàn)。
中國移動5G基站原型機(jī)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(jī),推進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(dú)立系統(tǒng)方向發(fā)展。而在5G通信應(yīng)用中,需要實(shí)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>
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(jī)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(jī)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。
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(shí)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(yùn)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(bǔ)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(jìn)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(jī)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(qiáng)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?!?/p>
“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。”趙吉成認(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(jī)會?!?/p>
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(jìn)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(shí)現(xiàn)在高端領(lǐng)域的自主化。
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