5G时代对FPGA的影响与挑战？

在半导体的历史上，FPGA在设计实现和电子系统中扮演着重要的角色。这就是为什么我们在《Fabless：半导体工业的转型》一书中加入了FPGA的历史，并在2019年版中增加了关于Achronix历史的新章节。

在最近的一篇博客文章“FPGA In the 2020 - the New Old Thing”中，Achronix表示，FPGA已经有35年的历史，未来的云计算人工智能时代代表了一个新的FPGA增长机会。事实上，在我们去年的第一次网络研讨会中，Achronix ML网络研讨会打破了分析记录。

FPGA是一种半定制电路，主要应用于专用集成电路，在航空航天/国防、消费电子、电子通讯等领域有着不可替代的位置。在FPGA的下游应用中，通信占据最大的细分市场，约可达60%左右。其中， FPGA芯片对于5G发展有着不可或缺的重要性。

这段时间热搜包月的贸易战，将5G产业推上了风口浪尖。但是，我国民用FPGA供应依赖于美国Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi4大芯片巨头，民用领域FPGA国产化率仅4%（MRFR数据）。5G将带来FPGA新需求，基站建设近在咫尺。目前，5G宏基站中都在使用FPGA。

无论是在边缘（eFPGA）还是在云（FPGA）中，可编程技术都将在刚刚开始的5G数据爆炸式增长中扮演关键角色。我们从2015年第四季度开始在SemiWiki上追踪人工智能，并发表了182个博客，获得了近100万的浏览量，这是相当不错的成绩。简单地说，人工智能无处不在，大大小小的公司都在以最快的速度消耗人工智能设计支持信息。

回到Achronix的博客文章，它充满了有趣的数据和链接，如果你正在研究FPGA在5G时代的使用，这些数据和链接将非常有用。我也花了很多时间研究人工智能，并与一些大公司和SemiWiki合作完成了几个人工智能项目。

FPGA是当今半导体领域的老古董。尽管FPGA已经有35年的历史，但未来10年代表着自上世纪90年代初以来从未出现过的增长机遇。为什么现在会这样？

全球数据量持续激增，IDC预测，到2025年，全球每年将产生超过175zb的数据。有了这么多的数据，就有了一个巨大的机会来分析它，从而获得能够改变和影响世界的见解。人工智能将在这一数据挖掘操作中扮演重要角色，企业正在增加在机器学习和数据分析方面拥有深厚技能的员工，以应对未来的挑战……

此外，由于5G通道数大幅增加，单站FPGA用量相应增加。中国5G商用进度全球领先，且我国每代移动通信技术大规模资本开支一般集中于商用前几年，因此，当前FPGA较4G时代将占据更重要地位。由于5G应用频段较高，5G基站数量或将达到4G的1.5倍。另外，随着2022年后“5G下半场”毫米波技术成熟，小基站的数量规模有望达到千万级。5G需满足的业务场景将远超1G~4G，5G设备将面对更复杂的物理协议、算法，对逻辑控制、接口速率要求提高。

因此，专家估计5G市场，单基站侧FPGA市场价值将达到4G的数倍。FPGA门槛高，国产化率低，未来将成国产化替代攻坚领域中国市场FPGA需求量全球最大（30%以上），但我国的FPGA市场国产化率非常低。目前在民用领域，国产 FPGA 在中国市场占有率不到 5%，未来国产FPGA有望蓬勃发展。

处理AI/ML工作负载的新块浮点运算单元

块浮点（BFP）是浮点和定点算法的混合，其中数据块被分配一个公共指数。我们描述了一种新的算术单元，它为常见的矩阵算术运算执行块浮点运算并创建浮点结果。BFP算术单元支持多种不同精度和范围的数据格式。

与传统的浮点运算单元相比，BFP通过牺牲一些精度来节省大量的功率和面积。这个新的运算单元已经在来自Achronix的新的7nm FPGA家族中实现。在一项演示中，人工智能和机器学习的工作负载进行了基准测试，与半精度（FP16）操作相比，BFP的性能和耗电都得到了提升。

FPGA能否称雄？

作为FPGA（现场可编程门阵列）大厂，赛灵思方面认为，摩尔定律已经接近走向终结，未来不能单纯依靠芯片设计的周期性更新达到所需，这导致未来需要更多依靠芯片架构创新突围。赛灵思通信部门市场总监Gilles Garcia表示，目前面临的这些挑战共同之处在于，要求有更高的性能、更多带宽和更强计算能力，5G时代对赛灵思意味着更大的发展机会。

不同于此前通信时期，5G意味着更加碎片化的处理节点，端-边-管-云构成了庞大的计算网络。Garcia进一步指出，5G将对FPGA厂商带来三方面主要挑战：大规模天线阵列如何管理无线电方面的复杂性，如何管理好前传的带宽需求，更大量的数据回传需求如何满足。

具体来说，在前传方面，由于满足传统4G无线电装置使用的同时，新增5G协议装置的处理，这意味着要能支持不同协议的融合接入；城域间的多个接口，每个接口速率最高达到100Gbps，意味着核心干线传输接口至少需要具备100-400Gbps的传输能力。同时，终端的数据回程吞吐量将增加10倍，加上庞大的用户群体，数据量将呈现指数级上升趋势。

从网络特征来看，5G对更高带宽和更低时延的要求也进一步增加。Gilles Garcia介绍道，赛灵思采用的16纳米制程技术，可节省60%功耗；而RF SoC技术，能做到在单芯片的SoC（系统级芯片）上把数字和模拟结合在一起，把封装尺寸降低70%。

下一个竞争点在哪里？

5G时代一个重要变化是，电信运营商在数据中心进行边缘计算，其中涉及网络虚拟化功能。在核心网部分，厂商对带宽的要求不断放大，因此赛灵思方面认为，数据中心将是一个重要市场。包括赛灵思在内的大厂商已在斥巨资做大量的研发提供人工智能的能力、机器学习的能力，还有异构计算的解决方案。

而在FPGA市场，此前英特尔曾收购赛灵思的竞争对手Altera，英特尔一大发力点也在于数据中心。此前，英特尔收购eASIC，意在用eASIC把FPGA过渡到ASIC（专用集成电路）层面。而业界也有观点提出，ASIC是否会接棒FPGA成为下一代热捧的处理方案。

总结

较之从前，物联时代网络存在明显的差异，边缘计算业务部署需求呈现多样化特征，只有对客户需求把握准确的公司才能逐步做大做强。在人工智能学习推理和图像智能需求领域，GPU 大行其道推动英伟达等公司迎来高速增长，而 5G 边缘计算时代，FPGA 将成为新的产业新重心。

相比其他异构处理器，FPGA 更适配边缘计算场景，其可针对每一种具体应用，根据其算法结构进行深度定制，达到较高的计算效率和能效；同时其与 GPU相比，FPGA 架构能大幅优化带宽提升计算效率；并且在低时延与稳定性上具备天然的优势。由此可看，5G 边缘场景的多样化将驱动算力产业进入 FPGA 时代。
编辑：lyn