国产FPGA能否在5G通信商用圈分一杯羹

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！

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。

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。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！

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。