近日，中國(guó)首款5G商用手機(jī)在京東和蘇寧正式開(kāi)售，這也意味著國(guó)內(nèi)5G商用正式拉開(kāi)序幕，一場(chǎng)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(lái)的5G時(shí)代，對(duì)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(shí)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(chǎng)上還沒(méi)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(duì)，可編程的FPGA芯片將由此獲利!

5G成全球爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略高地

“5G競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始，美國(guó)必須贏?！苯衲?月的演講中，美國(guó)總統(tǒng)唐納德·特朗普的一句話(huà)，再一次印證了5G的重要性!

我們都知道，移動(dòng)通信技術(shù)每10年都將迎來(lái)一次變革。相對(duì)于之前的通信技術(shù)，5G的重大意義在于“萬(wàn)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(chǎng)景及商業(yè)機(jī)會(huì)。

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(dòng)駕駛、VR/AR、無(wú)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(guó)的爭(zhēng)相攻占的戰(zhàn)略高地。

全球主要國(guó)家5G商用進(jìn)程(資料來(lái)源：中國(guó)信通院)

從全球主要國(guó)家的5G布局來(lái)看，中國(guó)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(guó)家。6月6日，中國(guó)工信部正式發(fā)放5G商用牌照，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信和中國(guó)廣電分別獲得一張運(yùn)營(yíng)牌照，中國(guó)正式步入5G時(shí)代。

目前，我國(guó)5G產(chǎn)業(yè)在頻譜、芯片、終端、運(yùn)營(yíng)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(guó)際第一梯隊(duì)。更為重要的是，在國(guó)家意識(shí)的推動(dòng)下，中國(guó)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(chǎng)商的大力投入，OPPO、vivo、小米等終端廠(chǎng)商的跟進(jìn)，使得我國(guó)有望成為全球5G最重要的市場(chǎng)之一。

雖然說(shuō)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(guó)消費(fèi)人口基數(shù)大，移動(dòng)通信技術(shù)成長(zhǎng)迅速，我國(guó)在5G通信設(shè)備技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，例如華為輪值董事長(zhǎng)梁華就曾表示，華為5G技術(shù)成熟度領(lǐng)先其它公司12個(gè)月到18個(gè)月，這是在移動(dòng)通信史上從沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的。

然而，我國(guó)在FPGA芯片、射頻/模擬芯片、存儲(chǔ)、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(guó)內(nèi)基本依賴(lài)進(jìn)口，在5G通信方面國(guó)外壟斷情況更加嚴(yán)峻。

“FPGA的核心技術(shù)目前主要被美國(guó)企業(yè)控制，歐洲和日本和中國(guó)一樣，沒(méi)有核心技術(shù)，超過(guò)90%的核心專(zhuān)利在美國(guó)人手里”，廣東省5G中高頻器件創(chuàng)新中心專(zhuān)家認(rèn)為：“FPGA的研發(fā)投入周期是芯片周期中最長(zhǎng)的，往往超過(guò)5年，所以很多企業(yè)堅(jiān)持不下來(lái)，國(guó)內(nèi)FPGA企業(yè)也多數(shù)沒(méi)有成型?！?/p>

另?yè)?jù)國(guó)內(nèi)5G知名廠(chǎng)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(duì)于5G產(chǎn)業(yè)可以說(shuō)是不可或缺的關(guān)鍵芯片!

對(duì)此，廣東省5G中高頻器件創(chuàng)新中心專(zhuān)家也做了具體解釋?zhuān)骸?G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(guò)1倍以上?！?/p>

FPGA加速5G技術(shù)變革

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據(jù)客戶(hù)定制進(jìn)行針對(duì)性的算法設(shè)計(jì)。由于3GPP標(biāo)準(zhǔn)一直在演進(jìn)，芯片開(kāi)發(fā)的進(jìn)度一般會(huì)滯后標(biāo)準(zhǔn)2年左右。為了在5G通信爭(zhēng)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)模化以后再用ASIC芯片替代。

另外，為了滿(mǎn)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(guò)較長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)商的首選。

1、初期階段：加速產(chǎn)品上市進(jìn)度

相對(duì)于ASIC芯片而言，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)程中的變動(dòng)性，F(xiàn)PGA幾乎成為了唯一的方案。在2015年世界移動(dòng)大會(huì)上，中國(guó)移動(dòng)就展示了其基于FPGA開(kāi)發(fā)的5G基站原型平臺(tái)，為5G技術(shù)發(fā)展積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

中國(guó)移動(dòng)5G基站原型機(jī)采用大規(guī)模FPGA陣列(資料來(lái)源：中國(guó)移動(dòng))

隨后在MWC 2018期間的 GTI峰會(huì)上，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家廠(chǎng)商共同啟動(dòng)了“5G終端先行者計(jì)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(xiàn)：FPGA更具有靈活性

相對(duì)于4G而言，為了增強(qiáng)信號(hào)覆蓋及頻譜效率，大規(guī)模天線(xiàn)(Massive MIMO)是5G引入的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨之而來(lái)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(duì)每個(gè)天線(xiàn)單元接受到的信號(hào)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(jì)算負(fù)載。

從4G到5G天線(xiàn)演進(jìn)趨勢(shì)(資料來(lái)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(guò)重，F(xiàn)PGA在I/O 、運(yùn)算速度及延遲上均具有優(yōu)勢(shì)。目前在多通道波束成形中，雖然也有廠(chǎng)商選擇ASIC方案，但是FPGA更具有靈活性。

3、基站升級(jí)：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(jí)，特別適合FPGA可編程特性，幾乎每個(gè)基站中都有FPGA芯片。隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，在標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完全凍結(jié)之時(shí)，運(yùn)營(yíng)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(jí)的過(guò)渡方案，F(xiàn)PGA將在這一過(guò)程中必不可少。

5G基站大規(guī)模采用FPGA(資料來(lái)源：華為)

除此之外，一個(gè)5G基站對(duì)FPGA需求量幾乎是一個(gè)4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價(jià)值量約為4G基站的1.7倍，F(xiàn)PGA的價(jià)值量比4G基站多大約1000美元的價(jià)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(zhǎng)引擎。另?yè)?jù)Dell’ Oro Group報(bào)告分析，未來(lái)五年5G 新空口大規(guī)模天線(xiàn)陣列收發(fā)器的出貨量將超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)，由此也將帶動(dòng)FPGA使用量的“迅猛式”增長(zhǎng)。

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(hào)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(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品，市場(chǎng)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(zhuān)家認(rèn)為：“FPGA的國(guó)產(chǎn)化替代應(yīng)該有很大的空間的，但是難度也非常大。”

國(guó)內(nèi)企業(yè)能否分一杯羹?

“5G帶來(lái)的市場(chǎng)增量，以及由此帶來(lái)的系統(tǒng)廠(chǎng)商設(shè)備升級(jí)的需求，將成為國(guó)產(chǎn)FPGA加速成長(zhǎng)的一個(gè)機(jī)會(huì)。”紫光同創(chuàng)市場(chǎng)總監(jiān)呂喆首先看到的是，巨大的市場(chǎng)增量給行業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇。

那么，增量有多大?

根據(jù)天風(fēng)證券的預(yù)測(cè)，在5G等新興應(yīng)用的推動(dòng)下，2025年全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到125億美元左右，年復(fù)合增長(zhǎng)率為10.22%。其中電子通信應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到44億美元左右。

如果按照30%的占比來(lái)看，在電子通信應(yīng)用領(lǐng)域，到2025年中國(guó)市場(chǎng)就能為FPGA提供超過(guò)13億美元需求，而國(guó)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(jì)、波束成形及基站協(xié)議升級(jí)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(hào)調(diào)制和基帶處理、接口處理，DFE數(shù)字前端信號(hào)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(lái)源：芯師爺)

而對(duì)于通信應(yīng)用而言，由于需要處理大量的運(yùn)算，千萬(wàn)門(mén)級(jí)高性能FPGA是一個(gè)門(mén)檻。目前國(guó)內(nèi)僅紫光同創(chuàng)推出了自主產(chǎn)權(quán)2000千萬(wàn)門(mén)級(jí)高性能FPGA產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在中高端大規(guī)模FPGA市場(chǎng)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(bào)文協(xié)處理等普通通信應(yīng)用場(chǎng)景需求。

另外，據(jù)公開(kāi)資料顯示，紫光同創(chuàng)、上海安路、廣東高云等中國(guó)FPGA領(lǐng)先廠(chǎng)商均發(fā)布了28nm工藝1000萬(wàn)門(mén)級(jí)自主產(chǎn)權(quán)FPGA的上市計(jì)劃，可用于更多通信應(yīng)用場(chǎng)景，預(yù)計(jì)能夠滿(mǎn)足通信設(shè)備領(lǐng)域的絕大部分中低端FPGA應(yīng)用場(chǎng)景的使用需求，但無(wú)線(xiàn)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(chǎng)景所需要的5000萬(wàn)門(mén)級(jí)、乃至億門(mén)級(jí)自主產(chǎn)權(quán)超高性能FPGA產(chǎn)品，還沒(méi)有規(guī)劃，還有待解決。

截至2018年底，中國(guó)5G基站數(shù)量就已經(jīng)達(dá)到了35萬(wàn)個(gè)，而美國(guó)僅僅只有3萬(wàn)個(gè)。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(kāi)始進(jìn)一步加速。預(yù)計(jì)2019年全年中國(guó)5G基站數(shù)量將新增15萬(wàn)個(gè)，領(lǐng)先于全球其他國(guó)家。毫無(wú)疑問(wèn)，5G技術(shù)所帶來(lái)的變革將在中國(guó)市場(chǎng)率先落地，由此也將帶來(lái)國(guó)內(nèi)FPGA需求的大幅增長(zhǎng)。

面對(duì)通信市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)，呂喆對(duì)于國(guó)產(chǎn)FPGA的未來(lái)出路有了更長(zhǎng)遠(yuǎn)的思考：“5G網(wǎng)絡(luò)在傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)精度等方面，對(duì)系統(tǒng)和芯片方案提出了更高的要求，對(duì)國(guó)產(chǎn)FPGA來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。如果能與國(guó)內(nèi)通信設(shè)備系統(tǒng)廠(chǎng)商一起合作的話(huà)，將加速?lài)?guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品在通信和5G應(yīng)用領(lǐng)域的催熟?！?/p>

對(duì)此，國(guó)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(jì)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(guó)外企業(yè)晚了近20年，國(guó)內(nèi)外差距還非常明顯，高端領(lǐng)域國(guó)內(nèi)企業(yè)幾乎還沒(méi)有涉足?！壁w吉成認(rèn)為：“未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)都將處于追趕階段，但是近幾年國(guó)家對(duì)芯片自主化關(guān)注越來(lái)越高，這也是一個(gè)難得機(jī)會(huì)?！?/p>

寫(xiě)在最后：

作為移動(dòng)通信領(lǐng)域又一個(gè)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(guó)內(nèi)還處于空白狀態(tài)。全球5G的爭(zhēng)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(duì)國(guó)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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毫米波一般是指波長(zhǎng)1 ms至10 ms、頻率30 GHz至300 GHz的電磁波,由于其頻率高、波長(zhǎng)短,毫米波具有如下特點(diǎn):頻譜寬,配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量,適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù);可靠性高,較高的頻率使其受干擾很少,能較好抵抗雨水天氣的影響,提供穩(wěn)定的傳輸信道;方向性好,毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大,使得傳輸波束較窄,增大了竊聽(tīng)難度,適合短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;波長(zhǎng)極短,所需的天線(xiàn)尺寸很小,易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線(xiàn)陣。正因?yàn)楹撩撞ň哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn),可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng),通信速率高達(dá)10 Gbit/s,可以滿(mǎn)足ITU對(duì)于5G通信系統(tǒng)的要求。

雖然運(yùn)營(yíng)商和行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問(wèn)題,但是5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)的落地應(yīng)用還有很多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步完善。5G毫米波通信關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

1、大規(guī)模天線(xiàn)和波束賦形技術(shù)

大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)(Massive MIMO)和波束賦形技術(shù)是毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,Massive MIMO可以形成更窄波束,波束賦形則可以降低干擾提升信噪比。在實(shí)際場(chǎng)景部署中,可借助多通道和多天線(xiàn)的收發(fā)增強(qiáng)對(duì)基站上下行覆蓋進(jìn)行增強(qiáng),針對(duì)高低層建筑以及線(xiàn)狀路面提供差異化的覆蓋方案,如圖1所示。

毫米波通信系統(tǒng)中,波束管理功能即指管理波束賦形后形成的窄波束,主要包括以下幾方面內(nèi)容:波束掃描、波束測(cè)量、波束上報(bào)、波束指示和波束失敗恢復(fù)。

3、傳播特性和穿透損耗機(jī)理

自由空間損耗與載波頻率成正相關(guān)。假設(shè) f 1 與f 2 分別代表高低頻載波,則可計(jì)算高頻點(diǎn)相對(duì)于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差值為20×lg(f 1 /f 2 ),那么26 GHz載波比3.5 GHz載波路損高20×lg(26/3.5)≈17.42 dB,即后者是前者理論傳播距離的10^(17.42/22)≈6.19倍。

在毫米波傳播過(guò)程中,容易受到降雨、樹(shù)叢遮擋以及其他遮擋物對(duì)電波的遮擋和吸收等影響,相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明毫米波基本不具備穿透混凝土承重墻的能力。另外,降雨對(duì)毫米波影響很大,毫米波速率有較大下降。通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試,毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結(jié)構(gòu)、支持的流數(shù)、調(diào)制階數(shù)等因素有關(guān)。與5G低頻類(lèi)似,毫米波系統(tǒng)支持4流和8流的傳輸,以及64QAM和256QAM調(diào)制方式。幀結(jié)構(gòu)方面同樣繼承了5G低頻的靈活性,在帶寬方面毫米波系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢(shì),可支持400 M和800 M的帶寬,超大帶寬通信技術(shù)具有很大研究?jī)r(jià)值。

小結(jié)

未來(lái)人類(lèi)發(fā)展需求會(huì)牽引5G 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,而毫米波關(guān)鍵技術(shù)的突破和成熟運(yùn)用會(huì)進(jìn)一步加快5G廣泛應(yīng)用,值得期待。

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華創(chuàng)證券指出，毫米波頻段以其超高的傳輸速率、超大的容量和極低的時(shí)延，將會(huì)成為5G下一階段發(fā)展的核心方向。目前在全球范圍內(nèi)，工作在毫米波頻段的微型濾波器解決方案近乎空白，是世界各國(guó)在無(wú)線(xiàn)通信核心領(lǐng)域亟待重點(diǎn)突破的技術(shù)。微型化毫米波濾波器產(chǎn)品，不僅可以廣泛應(yīng)用在各種5G終端和基站中，而且為下一代6G低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供了經(jīng)濟(jì)有效的濾波解決方案。在5G終端產(chǎn)品即將爆發(fā)性增長(zhǎng)的階段，我國(guó)5G毫米波濾波器產(chǎn)品有望打破國(guó)際巨頭的絕對(duì)壟斷局面。

碩貝德經(jīng)過(guò)多年的投入，毫米波射頻前端芯片已實(shí)現(xiàn)從24GHz到43GHz全頻段覆蓋的技術(shù)突破。

亞光科技毫米波T/R組件水平目前居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，用于5G通信的毫米波功率放大器已研制成功。

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