5G基站中被美国垄断的“白纸”芯片FPGA

作者 | 薛定谔的咸鱼

2020年12月11日,提起5G大家很容易想到华为,在华为的5G基站中有一类芯片,它的存在感不是很强,但它的作用很大,它就是FPGA芯片。

什么是FPGA芯片?

如果我们想快速了解一款芯片,最简单的方法就是调查它功能和用途,但这个方法对于FPGA来说并不适用。

如果你真的去查FPGA的应用场景,你会得到一个很长的名单,比如:通信网络、物联网、信息安全、数据中心、人工智能、卫星导航、医疗器械、图像处理、视频编码、云计算、军工等等。

可能有些人查到一半就开始懵了,FPGA芯片的应用范围跨越了太多行业。那么FPGA芯片到底是什么呢?

答:是白纸。

如果我们把其它各种专用芯片比作不同风格的画作,那么FPGA芯片就是白纸。我们可以在白纸上画出各种不同风格的画作,这就是FPGA。

假如你是一块FPGA开发板,你在大学实验室里的一天可能是这样度过的:

清晨,一批大二学生进入了实验室。他们为了完成昨天晚上未完成的项目,开始急匆匆的调整着相关的硬件。最终,他们完成了,FPGA开发板变成了音乐播放器。

中午,一帮大三学生赶到了实验室,他们要参加省里的智能小车比赛。还是这块FPGA开发板,这回被他们借去测试智能小车的代码。

下午,一个大四的学生来到了实验室,还是借这块FPGA开发板。不过他是用来做毕业设计的,他要做一个电梯的控制模块。

就这样,一天过去了。同样一块FPGA开发板,上午它是音乐播放器,中午它是智能小车,下午它又是电梯控制模块。只是因为每次刷入的代码不同,FPGA芯片就具备了完全不同的功能,这就是FPGA的神奇之处。

FPGA的特点

首先一大特点就是灵活性,FPGA就像上文所说的“白纸”一样,可以通过“刷代码”的方式改变用途和功能。

对于数据中心来说,很多机器是面向不同客户出租的,因此硬件的用途经常会发生改变。而这时如果用FPGA作为加速卡就会非常方便了,设备用途改变的同时,FPGA这边也同步进行改变就可以了。

特别是对于人工智能领域的优势更为明显,比如现在流行一种神经网络,没准过一段时间另一种神经网络又变得热门了,而且算法也会随之时间不断更新。这种情况下可能就需要不断更换硬件,最大限度的去贴合算法需求。而FPGA就方便很多了,需要进行调整的时候重新刷入就可以了,在节约时间的同时也减少了成本。

FPGA除了灵活性以外,另外一大特点就是并行了。如何理解并行呢?

5G基站中被美国垄断的“白纸”芯片FPGA

比如我们在周末要做家务的时候,用洗衣机洗衣服15分钟,洗菜5分钟,做饭20分钟。那么一共需要多少时间呢?如果顺序进行这些家务的话,那就需要40分钟。但是我们可以发现,在洗衣机洗衣服的时候我们是可以同时干其它家务的,这样一来我们只需要25分钟就可以做完这些家务了。

由此可见,并行可以大大提高效率,也正是因为这样,FPGA可以帮助CPU加速计算。

但值得说明的是,不是所有任务都适合并行。比如我们必须在洗完菜之后才能做饭,这两个任务就不能并行完成。因此FPGA的加速往往是针对一种或者一类任务,并不会像CPU那样解决所有问题。

FPGA和ASIC

FPGA全称现场可编程逻辑门阵列,它属于一种半定制电路。而ASIC称为专用集成电路。

这两个其实都可以算是“白纸”,只不过在FPGA的“白纸”上我们画的是铅笔画,而设计并制造ASIC芯片时,我们是在“白纸”上画水彩画。

两者其实都具有相当的灵活性,只不过对于ASIC来说,当水彩画完成也就是芯片造出来的时候,就已经没有什么修改的空间了。而FPGA的铅笔画是可以擦了重新画的。

另外一方面,如果对于同样一个电路,其它条件也大致等同的情况下,ASIC的性能是比FPGA强的。就像水彩画比铅笔画色彩更鲜艳。因此如果一个电路在后期不需要更改的情况下,出于性能(功耗、速度、芯片面积)方面的考虑,选ASIC更合适。

当然以上所说的只是性能方面的考量,在实际选择中还会有其它因素的影响,比如成本。

ASIC的起步成本是十分高昂的,对于一些先进的工艺制程来说,流片一次的成本就可能直接上亿。而FPGA的起步成本非常低,在淘宝上就能以几百块包邮的价格买到相应的开发板。而且由于ASIC制造之后不可更改,所以就有可能因为设计不合理或者相应产品在市场上反馈不好,以至于相关开发成本打水漂的情况。对于FPGA来说就很少有这方面风险了,如果设计有问题,后期还可以再次调整,即使项目规划有问题,买入的FPGA芯片也可再次出售或用在其它项目中。但另一方面,ASIC规模化生产后边际成本非常低,而基于FPGA设计的产品则难以通过大批量生产获得边际成本红利。

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