芯片，一个特别专业的领域，因为中美之间的贸易摩擦，走进大众视野。
在“华为风波”中，当海思亮出“备胎”的时候，国人除了兴奋，更是新增了一层担忧：哪些产品是我们就算早早准备，但技术差距还比较大？
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FPGA! 答案跃然纸上
近日，在36期中国与世界经济论坛上，
清华大学微电子学研究所所长魏少军教授
也强调到：“如果战略性芯片依赖进口，或将带来非常大的影响！”
从定义上来讲，FPGA（Field Programmable Array），即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件
的基础上发展而来
，属于集成电路中非常重要的门类之一，与微处
理器、存
储器、AD/DA
并称为四大核心器件
。
目前，在芯片市场主要分为CPU、GPU、FPGA与ASIC四大类型，在便利性、易用性、性能功耗及开发难度等方面，各具有优缺点：
具体而言，CPU和GPU由于引入了编译系统，可将高级的软件语言翻译成为机器可以识别的指令，从而带来了极大的便利性和易用性。相反，FPGA和ASIC芯片直接使用晶体管门电路实现运算，由于没有中间层级，
晶体管的效率更好
，但是也牺牲了部分便利性和易用性，且开发的难度相对较高。
对于FPGA而言，其最大的特点就是可重复编程，灵活性上高于专用芯片ASIC，性能和实时处理能力优于CPU，
常用于设计及验证环节
，以此加速产品的上市时间。但是由于其采用了软硬件一体化的架构，相对于CPU和GPU而言，
编译难度较高
，应用开发门槛偏高，并不适合海量应用。
和任何新生事物一样，FPGA从诞生到发展壮大，不可避免地都要经过艰难的历程。
从发展的历程来看，FPGA大致经历了以下几个阶段：
发明时代：
产品逻辑门数量和工艺不具备竞争优势，不受市场重视。
扩展时代：
SRAM制造工艺和EDA软件的引入，使得FPGA容量翻番和成本减半，为大规模应用奠定基础。
积累时代：
成功在数据通信市场打开局面，成为数字系统中的通用组件，并开始从门阵列向集成可编程逻辑的复杂系统过渡。
系统时代：
为解决系统设计问题，FPGA越来越多地整合系统模块和功能，并推动了各类工具的发展。
智能时代：
成为数据中心、人工智能的加速平台，多核异构和自适应计算平台成为新的方向，软件开发者开始融入到FPGA的软硬件生态系统。
从发展历程来看，从1984年美国Xilinx公司推出了全球第一款FPGA产品XC2064算起，之后十多年间FPGA并没有如预想般受市场青睐。由于进入的门槛高和持续不断的研发投入，使得
越来越多厂商在“尝鲜”之后，便匆匆离场
。
历史上的FPGA公司
这30多年的发展，
有40多家企业退出FPGA市场
，其中不乏像TI、AMD、IBM、 Toshiba、Samsung、Motorola这样的大公司。目前国外仅存四家FPGA公司，分别是Xilinx、Intel、Lattice和Microsemi。除此之外，另外两家公司Quicklogic和Archronix仍在苦苦挣扎。
对于国内企业而言，想要在FPGA领域有所突破，必须得破解
专利和生态两座大山。
由于国外企业起步较早，Xilinx和Altera两大巨头已经占据了90%的市场份额，并且和Lattice、Microsemi等公司通过
近9000项专利
构筑了牢固的知识产权壁垒，对于后进入者设定了重重障碍，这也是鲜有公司进入FPGA领域的重要原因。
国内FPGA市场份额情况（来源：紫光同创）
直至2010年左右，随着FPGA部分专利技术开始到期，我国才出现了几家采用正向设计的FPGA企业。但是此次
全球FPGA产业格局已经基本确定
，国内企业自成立之初，便面临着强大的生存挑战。据最新数据显示，2018年全球FPGA市场约为60亿美元，中国市场占比30%以上，Xilinx、Altera和Lattice
几乎完全垄断了中国市场
，国产厂商占比非常低。
从产业链角度而言，FPGA涉及到单元架构、IP、EDA软件、制程工艺、封装技术、专业人才等诸多方面，并且缺一不可。
知名半导体专家（《芯事》作者）谢志峰博士
也认为：“发展FPGA必须在硬件和软件两方面共同发展，如果国内芯片制程工艺达不到要求，FPGA产业很难达到最先进的水平。”
FPGA需要芯片、EDA工具及IP完整生态
（来源：紫光同创）
虽然说在硬件设计上，通过架构的创新
可以绕开国外巨头的技术封锁
，但是在高端EDA软件方面，我国依然严重依赖国外公司，因此也限制了国内FPGA产业的发展。实际上也是如此，在经过近20多年发展，国内企业仍只能够完成低密度产品的设计和制造，离数亿规模的高端产品还相差甚远。
此外，以Xilinx为代表的国外公司在中国市场已经深耕20多年，形成了非常强的产业生态，使得国内厂商进入的门槛异常高。由于FPGA产品的生命周期非常长，并且对于上游技术依赖很强，
一旦使用很难实现完全替换
。
这一点，
复旦大学微电子学院副教授范益波也深有感触
：“在院校及科研应用领域，对FPGA性能要求比较高，目前主要采用Xilinx公司高端产品，国内FPGA企业还很难涉足。而在通用FPGA领域，国外企业产品线已经非常完善，并且价格上也不贵，国内产品想要实现替代是非常难的事情。”
范益波认为
，虽然说国产FPGA面临的处境比较艰难，
但是还必须得做
。因为硬件的发展将带动配套软件的进步，如EDA设计软件，这也是非常有战略意义的。
正如前文所言，我国FPGA虽然起步艰难，但是作为战略性芯片如果不能实现自主化，将
严重影响我国信息安全及未来科技发展
。
首先在军事国防等特殊应用领域，虽然说FPGA的使用量占比不大，但是对于产品的安全性和可靠性要求异常严苛，涉及到国家安全和领土安全，广泛应用于航天、航空、电子、通信、雷达、高端波束形成系统等领域。据相关统计显示，国内
90%的大型军用电子设备
都要用到FPGA。
以大型相控阵雷达为例，需要通过不同的T/R组件构成处理单元，对信号进行放大、移相、衰减等，
每个单元中都需要一个FPGA
。而在一个相控阵雷达系统中，这样单元数量往往达到数千个。如果不能够实现自主化，除了在供应上受制于人之外，还对国防安全带来巨大的安全隐患。
其次是FPGA最大的目标市场通信领域，目前全球正处于4G向5G发展的阶段。根据天风证券数据，一个5G基站对FPGA需求量几乎是一个4G 基站需求量的两倍，使得FPGA的价值量
比4G基站多大约1000美元
。而随着海量MIMO、云RAN、RRU/BBU的重构等，使得通信产业将经历较长时间的优化和迭代过程。
由于FPGA具有可编程特性，
非常契合这一迭代过程
，只需要升级通信协议即可满足迭代需求，在端到端网络线卡的包处理方案、背板互连，网络接口的帧生成器和MAC层通信管理 ，粘合逻辑、I/O扩展，光传输，信源和信道编码 ，数字调制和扩频，CFR (Crest Factor Reduction) 峰值因数抑制，DPD (Digital Pre-Distortion) 数字预失真等方面都有巨大的应用潜力。
全球FPGA市场规模（单位：百万美元，来源天风证券）
针对通信市场，
紫光同创市场总监吕喆认为
：“通信市场历来是FPGA的主要目标市场，份额超过40%。虽然短期内，国产FPGA方案在逻辑规模和性能方面能够提供的支撑还有限，但5G带来的市场增量，
确实是国产FPGA加速成长的一个机会
。”
对于国内FPGA未来发展，
吕喆充满信心
：“随着摩尔定律的逐渐失效，像FPGA这种通用型芯片平台，通过工艺节点的演进来大幅提升性能和降低功耗的路径，将会越来越艰难，而
应用驱动下的架构创新
，可能会成为未来国产FPGA弯道超车的机会。”
与此同时，在新兴应用芯片设计方面，FPGA早已经被证实
是芯片设计验证阶段的首先方案
。目前国内人工智能等新兴产业发展迅猛，为了快速实现产品上市和降低研发风险，企业往往通过采购国外高端FPGA进行验证及仿真，以提升芯片流片的成功率。
