FPGA与ASIC战火重燃

本周，诺基亚宣布与博通公司合作进行5G芯片的研发工作，为其5G产品打造包括处理器在内的定制芯片组，以使其供应链多元化。更重要的是，此项合作的主要原因在于：诺基亚希望加快其5G芯片从较昂贵的FPGA向定制ASIC转变。在2019年第三季度财报电话会议上，诺基亚承认其“ ReefShark”芯片组的高成本削弱了5G电信设备的利润率。

 

2019年是5G商用元年，起初的基站数量还比较有限，特别是韩国作为全球第一个实现5G商用的地区，其国土和人口对5G的容纳量很有限。但没过多久，以中国为首的国家和地区也纷纷实现了商用落地，使得5G基站在相对短时间内出现了爆发式的增长，这种态势也在向产业链上游的芯片传导，其结果之一就是以上诺基亚的感受：FPGA似乎不那么好用了。

 

对于通信基站而言，通常由上百颗芯片构成，负责实现不同功能。简单来说，基站发射并回收信号，收回信号后首先要有芯片进行滤波、稳定信号，还要有芯片将这种小信号放大，再有芯片进行解析、处理，然后是传输、分发。

 

总体来讲，电信基站可分为基带处理单元（BBU）、射频单元（RRU），以及天线等几部分。BBU负责集中控制与管理整个基站系统，完成上下行基带处理功能，并提供与RRU及传输网络的物理接口，完成信息交互。

 

在5G时代，以华为为代表的电信设备商倡导的AAU(Active Antenna Unit，有源天线射频单元)正在成为行业趋势，其本质上是将RRU集成到天线中，从而提升通信设备的集成度，可大幅度减小体积。

 

5G基站对FPGA“爱恨交加”

相对于4G而言，为了增强信号覆盖及频谱效率，5G 引入了Massive MIMO技术，这样，收发通道数从16Tx16R提高到了64Tx64R，甚至128Tx128R，为了降低干扰并抑制噪音，需要对每个天线单元接收到的信号进行数字处理，这就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，将导致负载过重，FPGA在I/O 、运算速度及延迟上均具有优势。在多通道波束成形中，相对于ASIC方案，FPGA更具灵活性。另外，基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分，这部分内容每年都在升级，比较适合用FPGA来实现。

 

因此，在5G发展的早期阶段，也就是基站总体数量还不是很多的时候，FPGA可编程、灵活的优势很明显。

 

通过对FPGA编程，能够执行ASIC执行的任何逻辑功能。在技术还未成熟阶段，这种特性能够降低产品的成本和风险，在5G初期这种特性尤为重要。另外，FPGA编程后可直接使用，无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。再者，ASIC有固定成本，而FPGA方案几乎没有，在使用量小的时候，FPGA方案由于无需支付一次性高达数百万美元的流片费用，也不用承担流片失败风险，此时，FPGA方案的成本低于ASIC，但随着使用量的增加，FPGA方案在成本上的优势逐渐缩小，超过某一使用量后，ASIC方案由于大量流片产生了规模经济效应，在成本上更有优势。

 

从2020年开始，特别是2021年，5G基站数量进入爆发阶段。由于FPGA主要用在收发器的基带中，5G时代，由于通道数的增加，计算复杂度随之增加，所用FPGA的规模也将增加，由于FPGA的定价与片上资源正相关，未来通信领域FPGA单颗成本也将上升，目前，基站收发器中的FPGA单价通常在几百元人民币的范围，未来有望进一步提高。收发器的主要成本和功耗由基带部分贡献，未来技术复杂度将再次推升收发器成本，这对FPGA似乎不是个好消息。

 

例如，要开发一个16nm FinFET制程ASIC的NRE成本（包括IP许可、开发和产品化）约为1800万美元，单位成本（基于芯片尺寸、封装、测试时间）大约为6.20美元。而开发22nm/28nm制程ASIC的NRE成本约为1400万~1500万美元，单位成本约为9.50美元。

 

若采用FPGA方案，例如Xilinx公司的UltraScale +（在Digi-Key上单个单元的价格为975美元），该解决方案没有NRE，并且预期的批量成本约为30~50美元。假设每年生产100万个器件，则16nm FinFET器件在13个月后最具成本效益。

 

随着转向更先进的制程工艺（例如10nm），PHY、ADC、DAC的NRE成本将发生巨大变化。如果使用7nm，成本还会更高。尽管5G用的数字芯片需要7nm到40nm的制程，但值得注意的是，ASIC的性能与缩小一到两个制程节点的FPGA的性能大致相同。考虑到这一点，22nm /28nm ASIC将提供与16nm FinFET FPGA相似的逻辑性能，从而降低了成本和5G应用的功耗。

 

因此，诺基亚就出现了前文所述的转变。

 

定制化处理器开始吃香

此次，诺基亚宣布与博通合作开发5G基站ASIC，无疑给出了一个更加明确的信号：专用芯片依然前途无量。

 

在这之前，诺基亚还与Intel和Marvell有深度合作，采用的也都是非FPGA方案。

 

就在今年3月，Intel强势杀入5G基站芯片市场，发布了10nm制程的5G基站芯片凌动P5900，这是为基站定制的一款通用CPU。凌动P5900采用了SoC方式，提供打通硬件、芯片和软件的标准技术平台。Intel为P5900匹配了新一代结构化ASIC加速芯片，更利于发挥高速处理器的优势。除了5G基站芯片，Intel还推出了面向5G网络加速、边缘优化以及虚拟化的5G产品，涉及5G核心网、接入网、边缘和基站。

 

Marvell方面，则推出了以OCTEON Fusion系列处理器为代表的产品，适用于宏基站、微基站以及分体式无线电装置和分布式单元解决方案。该系列处理器面向2G、3G、4G和5G NR无线网络。

 

至于博通，由于其在网通处理器方面有多年的技术积累和优势，而且该公司还是RF芯片的主要供应商，因此，该公司在对集成度要求越来越高的未来5G设备方面，具有一定优势。

 

另外，华为海思也在自研5G基站芯片，特别是华为天罡芯片，可为AAU性能带来极大的提升，可实现基站部署轻便化，设备尺寸缩小率超50%；而重量减轻23%，且功耗降低21%。

 

诺基亚的烦恼与紧迫

上述是5G基站市场大环境变化对FPGA和ASIC的影响。此外，诺基亚公司的行业地位也促使其想尽办法提升竞争力。

 

来自于Dell'Oro的统计数据显示，2020年第一季度，全球通信设备市场份额排名为：华为（28％）、诺基亚（15％）、爱立信（14％）、中兴通讯（11％）、思科（6％）。

 

 

与2019年相比，华为、诺基亚和思科均下降了1个百分点，爱立信持平，中兴通讯增长了1％。另外，今年第一季度，移动核心网络设备市场与去年同期相比增长了10％。

 

可见，诺基亚虽然排在第二位，但其市场份额处于下降态势（如上图所示），且市占率只比爱立信高一个百分点，而排在第四的中兴上升态势迅猛。这些都给诺基亚带来了很大压力。

 

要提升竞争力，降低芯片成本对于当下的诺基亚非常重要。该公司2020年Q1财报显示，降低芯片成本是其重点跟踪的KPI。在2020年第一季度，诺基亚出货的5G设备中有17%采用定制化芯片。该公司计划在2020年底将这一比例提升至35%以上，到2022年底最终实现100%的5G产品采用定制化芯片。

 

结语

虽然5G的发展使得ASIC地位提升了，但并不等于FPGA就退出了基站的历史舞台，在纷繁复杂的应用和市场需求下，各种芯片都有其存在和应用的价值。

 

以华为为例，该公司的户外无线基站RRU3908，其中央处理单元的ADC和DAC单比特流解码和编码依然由Altera Cyclone III FPGA，以及定制的华为SD6151RBI控制器处理实现。

 

另外，来自Achronix、Flex Logic等公司的新一代eFPGA（嵌入式FPGA）架构为在定制ASIC中实现FPGA逻辑的灵活性提供了第三条途径，通常情况下，这些方案每平方毫米的硅仅提供数千个逻辑元件，因此使用它们可以实现部分ASIC的省电和节省成本的优势。

 

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