5G通信商用开启,国产FPGA能不能分一杯羹?(转)

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。

热门专题:5G连接器 |

更多5G连接器资讯:http://www.0755xueche.cn/category/dzljq/5g-connector/

0 回复

发表评论

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注