5G成全球争夺的战略高地
近日，中国首款5G商用手机在京东和苏宁正式开售，这也意味着国内5G商用正式拉开序幕，一场通信史上的重大变革也正在发生!
与4G通信相比，即将到来的5G时代，对通信网络提出了更高的要求，具备高速度、泛在网、低功耗、低延时等特性。目前相关技术和标准还在持续演进和迭代中，市场上还没有形成统一的方案，需要在网络、设备及终端灵活应对，可编程的FPGA芯片将由此获利!
5G成全球争夺的战略高地
“5G竞赛已经开始，美国必须赢。”今年4月的演讲中，美国总统唐纳德·特朗普的一句话，再一次印证了5G的重要性!
我们都知道，移动通信技术每10年都将迎来一次变革。相对于之前的通信技术，5G的重大意义在于“万物互联”，颠覆了传统通信模式，由此也将衍生出更多的应用场景及商业机会。
具体而言，5G技术将构建人、机、物三元融合的互联，作为新一代信息通信基础设施，承载着人工智能、自动驾驶、VR/AR、无人机等应用，成为下一轮科技浪潮的先驱。为此，5G也成为各国的争相攻占的战略高地。
全球主要国家5G商用进程(资料来源：中国信通院)
从全球主要国家的5G布局来看，中国显然起步更早，在技术研发实验及商用进程方面领先于其他国家。6月6日，中国工信部正式发放5G商用牌照，中国移动、中国联通、中国电信和中国广电分别获得一张运营牌照，中国正式步入5G时代。
目前，我国5G产业在频谱、芯片、终端、运营商等环节关键因素都已经齐备，整体水平已经处于国际第一梯队。更为重要的是，在国家意识的推动下，中国5G产业布局的决心非常明确，加之华为、中兴、紫光展锐等设备及器件厂商的大力投入，OPPO、vivo、小米等终端厂商的跟进，使得我国有望成为全球5G最重要的市场之一。
虽然说2019年是商用元年，但5G产业还处于刚刚起步阶段。由于我国消费人口基数大，移动通信技术成长迅速，我国在5G通信设备技术方面处于国际领先水平，例如华为轮值董事长梁华就曾表示，华为5G技术成熟度领先其它公司12个月到18个月，这是在移动通信史上从没有出现过的。
然而，我国在FPGA芯片、射频/模拟芯片、存储、CIS、sensor、光芯片、高频高速材料等核心芯片、元器件和材料方面还比较欠缺。特别是FPGA芯片，目前在通信领域应用方面国内基本依赖进口，在5G通信方面国外垄断情况更加严峻。
“FPGA的核心技术目前主要被美国企业控制，欧洲和日本和中国一样，没有核心技术，超过90%的核心专利在美国人手里”，广东省5G中高频器件创新中心专家认为：“FPGA的研发投入周期是芯片周期中最长的，往往超过5年，所以很多企业坚持不下来，国内FPGA企业也多数没有成型。”
另据国内5G知名厂商透露，5G设备主板外围都需要大量用到FPGA。虽然不同5G设备功能不同，需要的FPGA数量不尽相同，但是FPGA对于5G产业可以说是不可或缺的关键芯片!
对此，广东省5G中高频器件创新中心专家也做了具体解释：“5G网络由于频率增高，网络覆盖难度加大，基站设备复杂度也增加很多，FPGA的用量相比4G设备超过1倍以上。”
FPGA加速5G技术变革
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，拥有大量的可编程逻辑单元，可以根据客户定制进行针对性的算法设计。由于3GPP标准一直在演进，芯片开发的进度一般会滞后标准2年左右。为了在5G通信争夺中保持领先，前期企业都需要用FPGA实现功能，规模化以后再用ASIC芯片替代。
另外，为了满足5G通信的新需求，海量MIMO、云RAN、新的基带和RF架构等大量新技术引入其中，而随着接入设备的增加，大量的微基站也在兴起，在网络应用和运维通过较长时间达到最优之前，灵活的FPGA方案被寄予厚望，正在成为各大设备及系统厂商的首选。
1、初期阶段：加速产品上市进度
相对于ASIC芯片而言，FPGA最大的优势是可以重复编程，并且能够执行ASIC的所有逻辑功能。在技术还未成熟阶段，采用FPGA方案能够降低成本与开发风险，加速新产品的上市进度抢占先机。
特别是在5G初期，技术预演需要走在标准制定之前，考虑到后续标准制定过程中的变动性，FPGA几乎成为了唯一的方案。在2015年世界移动大会上，中国移动就展示了其基于FPGA开发的5G基站原型平台，为5G技术发展积累了大量经验。
中国移动5G基站原型机采用大规模FPGA阵列(资料来源：中国移动)
随后在MWC 2018期间的 GTI峰会上，中国移动联合国内外多家厂商共同启动了“5G终端先行者计划”，基于FPGA的原型机，推进5G终端产业的创新与成熟。
2、大规模天线：FPGA更具有灵活性
相对于4G而言，为了增强信号覆盖及频谱效率，大规模天线(Massive MIMO)是5G引入的关键技术之一。随之而来收发通道数从16T16R提高到64T64R甚至128T128R，为了降低干扰及抑制噪音，需要对每个天线单元接受到的信号进行数字处理，在自适应波束成形中产生了大量的计算负载。
从4G到5G天线演进趋势(资料来源：中兴通讯)
如果采用传统的CPU和DSP芯片，将导致负载过重，FPGA在I/O 、运算速度及延迟上均具有优势。目前在多通道波束成形中，虽然也有厂商选择ASIC方案，但是FPGA更具有灵活性。
3、基站升级：FPGA节省更换成本
由于通信基站中负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分，每年都需要升级，特别适合FPGA可编程特性，几乎每个基站中都有FPGA芯片。随着5G时代的来临，在标准还没有完全冻结之时，运营商不可能立即更换基站设备，而是采用在原有基础上升级的过渡方案，FPGA将在这一过程中必不可少。
5G基站大规模采用FPGA(资料来源：华为)
除此之外，一个5G基站对FPGA需求量几乎是一个4G基站需求量的两倍，5G基站硅的价值量约为4G基站的1.7倍，FPGA的价值量比4G基站多大约1000美元的价值量。5G产业的发展，将成为全球FPGA产业新的增长引擎。另据Dell’ Oro Group报告分析，未来五年5G 新空口大规模天线阵列收发器的出货量将超过5000万个，由此也将带动FPGA使用量的“迅猛式”增长。
西安卓联电子科技有限公司总经理、FPGA技术联盟公众号创始人赵吉成表示：“FPGA技术发展至今，大致经历了三代革新。从最初单纯的逻辑处理，到引入Arm DSP，再到集成模拟、射频单元，单芯片FPGA正在朝着独立系统方向发展。而在5G通信应用中，需要实现算法、高速接口及大规模逻辑单元。”
“目前，中兴和华为有些小规模试用国产FPGA产品，市场主要是给一些小型的企业配套。”广东省5G中高频器件创新中心专家认为：“FPGA的国产化替代应该有很大的空间的，但是难度也非常大。”
国内企业能否分一杯羹?
“5G带来的市场增量，以及由此带来的系统厂商设备升级的需求，将成为国产FPGA加速成长的一个机会。”紫光同创市场总监吕喆首先看到的是，巨大的市场增量给行业带来的机遇。
那么，增量有多大?
根据天风证券的预测，在5G等新兴应用的推动下，2025年全球FPGA市场规模将达到125亿美元左右，年复合增长率为10.22%。其中电子通信应用市场规模将达到44亿美元左右。
如果按照30%的占比来看，在电子通信应用领域，到2025年中国市场就能为FPGA提供超过13亿美元需求，而国内企业在该领域的还几乎是空白。
全球FPGA市场预测
在应用方面，除了原型设计、波束成形及基站协议升级之外，实际上FPGA在通信领域使用非常广，在传输网和骨干网，数字信号调制和基带处理、接口处理，DFE数字前端信号处理、接口转换等领域都有应用。
FPGA在5G领域的应用(资料来源：芯师爷)
而对于通信应用而言，由于需要处理大量的运算，千万门级高性能FPGA是一个门槛。目前国内仅紫光同创推出了自主产权2000千万门级高性能FPGA产品，填补了国内在中高端大规模FPGA市场的空白，但由于工艺和性能落后等因素，只可用于接口转换、系统控制、报文协处理等普通通信应用场景需求。
另外，据公开资料显示，紫光同创、上海安路、广东高云等中国FPGA领先厂商均发布了28nm工艺1000万门级自主产权FPGA的上市计划，可用于更多通信应用场景，预计能够满足通信设备领域的绝大部分中低端FPGA应用场景的使用需求，但无线基带处理、高速传输和交换、承载网和核心网业务处理等高端通信应用场景所需要的5000万门级、乃至亿门级自主产权超高性能FPGA产品，还没有规划，还有待解决。
截至2018年底，中国5G基站数量就已经达到了35万个，而美国仅仅只有3万个。随着今年6月工信部正式发布5G牌照，5G基站建设也开始进一步加速。预计2019年全年中国5G基站数量将新增15万个，领先于全球其他国家。毫无疑问，5G技术所带来的变革将在中国市场率先落地，由此也将带来国内FPGA需求的大幅增长。
面对通信市场的需求增长，吕喆对于国产FPGA的未来出路有了更长远的思考：“5G网络在传输延时和数据精度等方面，对系统和芯片方案提出了更高的要求，对国产FPGA来说，既是机遇，也是挑战。如果能与国内通信设备系统厂商一起合作的话，将加速国产FPGA产品在通信和5G应用领域的催熟。”
对此，国家集成电路产业投资基金总裁丁文武也曾强调到：“投资人不仅仅要支持设计业，还要支持像CPU、DSP、FPGA、MEMS这样战略性的高端芯片领域。”
“我们起步比国外企业晚了近20年，国内外差距还非常明显，高端领域国内企业几乎还没有涉足。”赵吉成认为：“未来一段时间内，国内FPGA产业都将处于追赶阶段，但是近几年国家对芯片自主化关注越来越高，这也是一个难得机会。”
写在最后：
作为移动通信领域又一个重大变革，5G技术和产业还仅仅迈出了第一步，FPGA在其技术演进中扮演者不可或缺的角色，而国内还处于空白状态。全球5G的争夺正变得愈发激烈，想要在5G领域真正领跑，不再受制于人，必须加大对国内FPGA产业的扶持力度，实现在高端领域的自主化。
