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ise10.1破解版的简单介绍

时间2021-10-17 15:06:51发布夜天蜘蛛分类工具 评论0浏览15

(报告出品方/作者:广发证券,孟祥杰)

一、军工 FPGA 的基本盘:高速化、定制化、保密性

(一)Makimoto’s wave 的表现,FPGA 实现成本、性能与功耗的平衡

IC界在定制化与标准化之间的“摆动”是FPGA出现的潜在底层动力的表现。上世纪 80年代末至90年代初,日本Makimoto提出Makimoto's Wave,描述了半导体行业在 标准化与定制化之间的周期性交替,提出了有关芯片创新对计算机革命巨大影响的 见解。Makimoto's Wave指出,应用场景及需求会推动各种定制化的硬件加速架构, 该类市场的繁荣后期往往会进化为一个大一统的架构,如此反复下芯片架构变会沿 着“标准化”与“定制化”交替发展的路线波动,每约十年波动一次。本质上定制化 与标准化的来回波动取决于多种力量,如推向市场时间、研发成本、运营效率、设计 的便捷性、功耗、新架构等。例如,新器件与新架构试图实现标准化,但对差异化应 用算法的需求、高性能与低功耗的渴望又推动IC推向定制化;而设计自动化(EDA) 技术发展加快定制化半导体产品设计周期,而为了能更快推向市场及降低开发成本 又迫使业界偏向标准化。

Xilinx在1985年推出了世界首款商业化FPGA芯片“XC2000”,其自创的门阵列通 用结构推动芯片从定制化向标准化迈进,创新式的结构。据2010年论文《基于LUT 的FPGA工艺映射优化》,FPGA起源于Xilinx公司,该公司于1985年推出世界首块 FPGA芯片,由逻辑功能块排成阵列矩阵,并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能 块来实现不同的设计,是在前期PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发 展的产物。逻辑资源块是FPGA内部最重要的资源,Xilinx称其为CLB(configurable logic block),FPGA内部三大主要资源:可编程逻辑单元、可编程I/O单元、布线资 源。不同FPGA在结构上的差异主要反映在可编程逻辑资源块上,以Xilinx的7系列 为例,其可编程逻辑块是查找表(LUT)。查找表的物理结构是静态存储器(SRAM), 因此通俗的说,可以将FPGA等效于是一片SRAM,而LUT本质为一个RAM,当用户 通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路后,FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的 所有可能的结果,并把结构事先写入RAM,这样每输入一个信号进行逻辑运算就等 同于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容并完成输出,继而实现运算。

因此,从理论上说,只要能够增加输入信号线和扩大存储容量,查找表就可以实现任 意多输入逻辑函数,这也是为何FPGA可实现可编程的基础原因。因为LUT主要适合 SRAM工艺生产,所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺,而由于掉电后信息就 会丢失,所以需要外加一片专用配置芯片,在上电时由该芯片将数据加载到FPGA中, 少数采用反熔丝(CPLD)或者Flash工艺,此类不需要外加专用配置芯片。

FPGA是制程工艺上的逻辑实现虚拟化层,允许芯片流片后再决定电路,其可编程属 性使得FPGA相比于其他处理器,在算力、成本、功耗之间取得平衡。采用FPGA可 以避免ASIC或ASSP因工艺进步而增加费用的缺点,同时利于缩短开发周期,减少 沉没成本巨大而对于新项目开发的影响。FPGA普遍被认为是构建原型和开发设计的 最快推进的路径之一,具有编程、除错、再编程和重复操作等优点,作为定制化ASIC 领域的半定制电路而出现。在采用FPGA进行设计时,设备制造商可以在开发现场自 由改写电路结构,而无需向半导体厂商支付包括掩膜在内的开发费用,同时在完成电路结构设计之后也无需执行布局、布线等工作,显著缩短IC开发周期。相比于CPU 处理器FPGA性能更高。对于CPU,其本质是利用大规模存储器实现在时间维度内 复用处理单元的方法,但该方法会损失处理单元的并行处理能力并带来性能的损失, 但可通过强大的软件库实现任意应用逻辑,因此相比于FPGA,其性能处于弱势(尤 其是并行处理能力),但通用性较高。FPGA功耗性优于GPU。GPU采用大量的处 理单元来实行并行处理能力,但每个软件的自由度不如CPU,因此只能实现部分软 件逻辑(如最早用来3D图像渲染)。同时由于GPU采用大量的处理单元并且大量访 问片外存储SDRAM,其功耗相对较高。参考BERTEN发布的《GPU vs FPGA Performance Comparison》,FPGA在单位价格性能峰值劣于GPU,而在单位功耗 性能峰值优于GPU。

(二)FPGA 应用于特种领域的核心基础:并行性、灵活性、保密性

1.强大的并行计算能力成为FPGA在国防领域的应用基础。参考Peter Cavill, President, Radstone Eebedded Computing 2005年发表论文《FPGA or DSP for military applications? Both have their place》,在数字信号处理领域,开发人员需 要考虑包括性能、功耗、成本与上市时间在内的各个因素。FPGA浮点运算能力相对 较弱(相反DSP拥有优秀的浮点单元,可提高精度与动态范围),因此其运行速度 通常比DSP慢。但由于其允许几乎无限数量的操作同时发生(强大的并行性,核心 基础在于理论上其CLB逻辑块与LUT查找表结构可以无限复制),因此FPGA在定点 操作和并行性上表现更为优秀,更适合于紧密的定点数学操作,如滤波(信号处理 解决方案的前端)。例如,FPGA作为与后端DSP联合使用的前端协处理器十分有用, 高速的滤波与波束形成应用可以在FPGA得到高效执行,因此具有数据采集功能的 FPGA大大简化了系统架构,如简化后台数据速率并降低负载。

2.FPGA灵活性特征取决于其可编辑基础,符合军品小批量多品种特征(源于相对 ASIC的价格优势和流片泄密风险)。

(1)其一,FPGA的可编辑性使得其可更为灵 活地应用于诸多军事场景。在现代化战争下,为了保持技术的领先性,往往不能准 确的预测或者决定哪个标准占主导地位。而FPGA可编程特征的优点是灵活性和适应 大多数标准的能力与容量,可以消除由于引入错误选择的技术或者标准致武器装备 造成损失。

(2)其二,缩短装备设计与定型时间。FPGA提供的灵活性与适应性直 接关系到武器装备(尤其是信息化武器)设计过程的长度。据《FPGA-DISRUPTIVE TECHNOLOGIE FOR MILITARY APPLICATIONS》,ASIC电路通常需要14-24个 月的设计流程,而实现FPGA设计所需的平均时间为6~12个月。

(3)其三,可在不 交换硬件的情况下改变武器信息系统行为。FPGA可以在不更换硬件的条件下改变 武器装备信息系统的输出逻辑(行为),其结果是具备快速同化新标准的可能性,允 许武装部队以最小的延迟完成既定任务或实施创新,具备任何时候更新、本地或者 远程访问的能力,通过部分重构提供包括支持、服务和对现场条件的更新操作。

(4)其四,实现硬件共享。通过对一个FPGA进行部分重新配置,可实现多个应用程序, 进而实现硬件共享,其益处在于降低功耗、缩小电路板尺寸、降低外围设备进而提 高武器装备效益比。

总结看,2005年6月在美国国防部电子设备咨询小组与国防部承 包商针对FPGA在军事应用进行讨论所形成的报告里指出,国防承包商表示,FPGA 在军事数字电子系统领域得到广泛的应用,功能、可用性和开发/原型优势,适用性 领域的增长是以牺牲通用处理器和ASIC解决方案为代价的,处理速度、功耗和功能 是FPGA的主要性能选择指标,而低的NRE成本、可用性和缩短的开发时间是经济 选择的驱动因素。

3.FPGA的可编辑特征使保密性突出,符合军用产品的高安全性要求。军事设备通常 要求更高的安全性,尤其对于信息化武器。例如,据《FPGA-DISRUPTIVE TECHNOLOGIE FOR MILITARY APPLICATIONS》,军事通信设备中的FPGA在设 备丢失或者被敌军捕获时刻自动删除,这使得相关装备在敌军逆向工程(主要目标 是获得关于被分析系统的内部结构和系统运行模式的信息)或者通信连接方面变得 不那么脆弱。例如, Xilinx的每一个FPGA都有一个独特ID,也称为Device DNA,在FPGA芯片生产时“写 死”在芯片的eFuse寄存器中,具有不可修改属性。FPGA的DNA一般用于用户逻辑 加密,在具备高商业价值软核或者DCP模块中,通常会封装一层DNA授权功能块, 该模块的功能为检测FPGA DNA号,与授权的DNA号进行对比,两者一致后生成授 权标志信号,逻辑可以利用此标志信号做到代码只有在授权时才能正常工作的情况。 由于每片FPGA的DNA号具有唯一性和不可更改性,将该模块封装后外部无修改接 口,做到其他客户即使拿到功能源码,里面的内核也不可复制到其他FPGA上运行, 以达到保护知识客户相关软核产权的作用。

(三)FPGA 在特种领域应用场景:以数字信息处理为核心的 C4 ISR

FPGA对数字信号处理的高速化及可编辑性,是解决C4 ISR系统的安全性、实时性、 精确性的优良方案之一。在以信息技术为核心的高新技术迅猛发展下,新军事变革 日益突出,而其实质是信息化在军事领域的反映(参考《面向信息优势的C4 ISR系统 关键技术研究》,王勇,西北工业大学自动化学院,2007年1月),新军事变革带来 指挥、控制、通信、计算机、情报、侦查监视等多功能的军事指挥自动化系统(C4 ISR) 在未来战争地位日益突出。据《预测控制在指挥自动化系统中的应用研究》(范烨 晗,2011年1月,西安电子科技大学),武器系统的通用化、系列化、组合化较为重 要,同时在战场环境下,各种信息的收集、传递、处理过程需要尽可能减少迟时性。 例如,预测控制作为C4 ISR中指挥自动化系统的重要应用,由于指挥自动化系统复杂 庞大,需要处理的算法指标很多,相对于传统的DSP(数字信号处理器),通过实现 以数字信号处理器和FPGA为核心的实时信号处理,可有效的增强系统运行的实时性 和精确性,更加快速的完成大规模数字信号处理与运算。

1. C4ISR信息收集端——典型代表为FPGA具备的高性能数据处理及灵活性,使得 其在现代雷达系统得到重要应用。据《面向信息优势的C4ISR系统关键技术研究》, 从C4ISR系统的发展历程看,无论是通信、计算机、情报还是监视与侦查,各环节 的目的都在于收集、处理、传输、控制和利用战场信息,以获取信息优势。而信息 优势的获取源头来自强大的信息收集能力,现代雷达系统(相控阵雷达为代表)为 航空战场防御与进攻的核心应用之一。据Intel官网页面中“适用于军事应用的FPGA英特尔FPGA”的描述,在当今的现代雷达系统中,有源电 子扫描阵列(AESA)是最受欢迎的体系结构。展望未来,下一代雷达架构,例如具 有地面移动目标指示器(GMTI)的数字相控阵和合成孔径雷达(SAR)将成为新兴 技术。为了实现这一目标,诸如高性能数据处理,超宽带宽,高动态范围以及满足 各种任务要求所需的自适应系统等参数是系统设计人员最常见的挑战,而FPGA是 解决这些挑战的理解解决方案。例如,Intel 28nm Stratix®V FPGA满足了雷达和先 进传感器技术的独特设计要求,具有825 Gbps全双工串行收发器带宽,出色的信号 完整性,高度可扩展的嵌入式处理模块以及高达950K逻辑元件(LE)的逻辑密度领 导地位,为军事雷达和传感器领域提供片上系统(SoC)。

2. C4ISR信息处理端——典型代表为FPGA在导弹信号处理(尤其是中制导系统, 精确制导弹药核心)等方面的应用。参考Xilinx官网Missiles and Munitions产品介绍 页面,二十多年来,Xilinx通过FPGA的灵活性和继承能力, 满足FPGA在导弹和弹药方面的应用,Xilinx FPGA具备包括高性能、低功耗信号处 理(满足大多数包括制导,控制,瞄准和通信应用的连接性和电源要求)、可编程系 统集成(集成更多功能)、可以提高态势感知能力并改善目标交战范围等优势。此 外,从具体应用看,参考《基于FPGA的图像预处理及DSP-CPCI桥接设计》(石婷, 电子科技大学,2007年),实时红外图像处理是红外成像制导的关键技术。由于其 图像处理的任务复杂多样、数据量大、实时性要求高,采用高速硬件进行并行处理 通常为当今红外成像导引头中数字图像实时处理的主要技术途径。基于兵器工业部 第20X所承担研制的红外成像制导技术背景下的红外图像信息处理机项目,该论文 选用FPGA作为底层算法处理和接口控制的核心,负责实现红外成像制导技术的底层 预处理算法及接口控制,在与DSP的互连下,使得系统兼顾速度和灵活性。并且, FPGA丰富的逻辑资源和大量可用的I/O管脚,可以很方便地实现大规模系统集成, 能最大限度地减少分立元件的使用,降低整体功耗,设计周期和开发成本随之减少。

3. C4ISR信息传输端——典型代表为FPGA在军用安全通信等方面的应用。据Intel 官网页面中“适用于军事应用的FPGA-英特尔FPGA”的描述, 当今安全通信设备面临许多设计挑战,有线产品必须满足对数据带宽的苛刻要求, 以实现40 Gbps和100 Gbps吞吐量,同时通常需要提供防篡改平台,此外无线产品 需要减少尺寸以满足军事无线电下一代的移动性,并需要同时支持包括SRW,WNW 和MUOS等多种波形。对于有线安全通信,需要支持从40G至100G甚至更高的网络 性能,以使得在信息化战争下,以网络为中心确保战斗人员能够实施通讯海陆空多 领域。Intel提供的28纳米的Stratix ® V FPGA(可编程芯片系统)支持超过50个标准 协议、提供低功耗、高带宽的收发器,同时优化了尺寸,重量,功率和成本,确保操 作兼容性,同时支持具有现场更新功能的多个平台和任务。

4. C4ISR信息控制与利用端——典型代表为FPGA在关键高速处理密集型电路中的 优良性能满足典型的电子战系统。据Intel官网页面中“适用于军事应用的FPGA-英 特尔FPGA”的描述,在电子战系统中,致胜的关键驱动力 是电子对抗措施(ECCM)、隐身技术,紧密相连的智能传感器网络和智能制导武器 等。这些系统必须能够在非常短的时间内快速分析并应对多种威胁,在寻找宽带噪 声中的目标特征时,武器装备需要执行复杂的处理,例如快速傅立叶变换(FFT), Cholesky分解和矩阵乘法等,然后发送多个软件生成的波形以提供的目标,并需要 有强大的宽带信号为战场提供相关情报。这些不断变化的战术响应需要敏捷、高性 能的计算处理。典型的系统设计为使用信道器和逆信道器来处理高带宽输入信号, 由于通道数量灵活,因此系统设计人员可以根据需要分配硬件资源与系统性能。而 FPGA的高速性及可编辑性为需要处理密集型路径的电子战系统提供了理想的解决 方案。

二、机遇:原位替代、武器改型、联合作战、电磁对抗

(一)原位替代:重视对已批产装备推行元器件国产化替代的潜在空间 在研新型机载与弹载电子元器件的国产化率仍有提高空间。据《基于自主可控的机 载嵌入式计算机现状与展望》(林清,梁争争,许少尉,航空工业西安航空计算技术 研究所,2018年9月),我国信息技术处于跨越式发展阶段,很多电子信息系统中的 芯片、操作系统因为性能、制造工艺等因素,国外产品或曾获得一定的青睐。例如, 在航空领域,机载嵌入式计算机或部分采用国外软硬件产品,高性能、高可靠处理 器等核心技术存在受制于人的风险。据《元器件原位替代方法探讨》(许少尉,李 夏,航空工业西安航空计算技术研究所,2018年9月),为减少武器装备对及进口电 子元器件的依赖,提升装备自主保障能力,相关机构明确提出了进口电子元器件选 用控制和国产化要求。再如,据《某型机载计算机的设计和实现》(刘宇,电子科技 大学,陕西宝鸡航空仪表,2018年6月)、《基于DSP+FPGA的新型弹载计算机设计与实现》(胡博、李毅等,中国航天科技集团公司第四研究院第四十一研究所, 2017年2月)均曾在选型设计讨论阶段涉及部分国外的元器件,机载及弹载核心器件 的国产化或仍有较大提升空间。

关注已量产装备中电子元器件可能存在的原位替代广阔空间。据《元器件原位替代 方法探讨》(许少尉,李夏,航空工业西安航空计算技术研究所,2018年9月),我 国在研及量产装备上或曾使用的、相当比例的进口元器件产品,面临元器件制造商 合并重组、产品升级、更新换代、无铅化等导致产品停产断档,更有一些高可靠性、 高密度集成的新型、关键元器件被国外禁运。减少对进口元器件的依赖以提升装备 自主保障能力十分关键。元器件的国产化替代主要从功能、性能和工艺特征3个方面 来考虑,而对于设计而言,若能够不对电路进行设计修改、不对现有产品PCB状态 进行变更而满足以上需求,可大大降低设计、生产和试验等环节风险,同时经济性 突出,而可原位替代的国产化器件成为设计师的替代首选。原味替代通常是指将管脚与管脚兼容、外型尺寸接近、功能性能参数相同或类似,不用更改原PCB焊接设 计就可实现将原有元器件进行替代。

(二)武器改型:利用 FPGA 桥接功能可缩短装备迭代的成本与周期

特种计算机正逐步朝多接口、微型化、复杂化、迭代化等方向发展。据《基于FPGA 的总线桥接在特种计算机中的应用》(赵鑫,2014年10月),近年来特种计算机的 特点逐渐朝着抗恶劣环境、高性能、高可靠、多接口、微型化等趋势发展。例如,据 《基于VME总线的ARM7主控通信模块设计》(张新,上海交通大学微电子学院, 2008年5月),航空电子系统的显控分系统在整个航电系统中处于核心控制地位,主 要职能为对来自各个外系统的信息数据进行运算处理,反馈运算结果并对外系统进 行控制。显控系统内部一般按照功能结构进行模块化设计,分为包括主处理模块、 接口模块、通信模块、数据传输模块、图像发生模块、视频叠加模块等,各个模块通 过总线模块进行连接通信。而随着航空电子技术的发展,系统对显控分系统的性能 提出更高要求,如要求集成更多功能、更轻重量、更小体积。但高性能、多功能的需 求与集成化、小型化要求存在一定矛盾,旧有系统结构区域老化陈旧,对现有电子 设备进行更新迭代、研制更高性能、更强功能的系统的技术革新已势在必行。

1.基于FPGA桥接功能实现的总线桥接在特种计算机的应用,具有集成化、稳定性强 等优势,并满足多接口、微型化、高速化的迭代需求,更关键在于缩短装备迭代周 期与开发成本,大大简化桥接工作。FPGA的灵活架构与可重复编程能力使其可更容 易地实现与多种微处理器与微控制器的接口,实现新的要求,或者对现有设计进行 修改可无需更改元器件,只需要对FPGA进行重新编程即可。据《基于FPGA的总线 桥接在特种计算机中的应用》(赵鑫,2014年10月),在特种计算机设计中因客户 的特殊应用环境不同(造成同一装备在不同领域的应用也需要做适应性调整)决定 了特种计算机的多接口特点。在主流应用及一般改型操作中,采用专用芯片来实现 多接口方式需要更高成本、更多的PCB占用面积。利用FPGA设计总线桥接技术 (FPGA+接口芯片)来替代传统的接口转接芯片或多扩展卡来完成多接口设计,将 包括外部接口单元、PCIE接口单元、逻辑桥接单元以及计算机电源管理单元集成在 FPGA中,对于扩展设计(更新武器装备电子系统)则能节省设备空间布局,能够在 保证稳定性基础上实现计算机的多接口、微型化特点,缩短装备更迭设计周期与减 少改进成本。

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2.利用FPGA的桥接功能、丰富的逻辑资源和大量可用的I/O管脚以实现大规模系统 集成,优化旧系统性能、体积与功耗。据《基于VME总线的ARM7主控通信模块设 计》(张新,上海交通大学微电子学院,2008年5月),以机载显控分系统为例,新 型显示控制系统对于旧系统的优化设计包括:将某型模块进行合并且增加新接口、 更新各个模块、采用性能更优的处理器架构、大幅提高集成度、采用速度及功能更 优的内总线进行互连。例如,由于系统升级,旧有系统来自雷达导航的ARINC429通 信通道只有几路,新的系统则扩充到了几十路,对主控通信模块的处理能力要求大 大增加。在该课题中,通过更换旧系统的HS3282专用通信芯片,采用FPGA技术设 计专用通信芯片处理ARINC429通道,具有以下几个优势:

(1)提高机载显示控制 系统各类控制、处理与接口模块的性能;

(2)利于实现新系统设计的集成化、小型 化、通用化技术,降低设计成本,简化桥接工作;

(3)针对原有型号的升级,新型 技术的采用能够解决原有系统模块的元器件功能少、性能低、成本过高、供货困难、 对进口依赖大的缺陷。

(三)联合作战:并行处理和现场可编程特性契合 SDR-SCA 规范需要

多兵种联合作战将成为21世纪的主要对抗方式,以提高对各作战部队接受统一指挥、 完善纵深沟通、强化横向配合的要求。顶层政策及发声持续强调联合作战体系的打 造与训练。据新华社11月13日讯,中央军委日前印发《中国人民解放军联合作战纲 要(试行)》(下文简称《纲要》),于2020年11月7日起实施。《纲要》着眼构建 联合作战法规体系,立起基本概念,确立基本制度,明确基本职责,从制度层面解答 未来“打什么仗、怎么打仗”的重大问题,强化备战打仗的鲜明导向,对巩固深化领 导指挥体制、规模结构和力量编程改革成果,对推进我军联合作战能力解放和发展 具有重要意义。

多兵种联合作战对通讯提出更高要求,打造横纵互联信息网是军用通信目标之一。 然而在管理实践中,组织的规模越大、层次越多,指挥的难度就越大,对沟通效率的 要求就越高。在这种情况下,军用通信的实时性、准确性和安全性就成为衡量联合 作战战斗力的关键性(决定性)指标。传统军事理论对各军兵种的协同性要求不高, 加之降低成本的考量,世界主要军事力量各军种的通信标准和基础设施往往独立发 展(烟囱式发展),这就造成“海陆空天电,鸡同鸭讲”沟通错位的现状。为了扭转 这种不利局面,提高军兵种之间的沟通效率以最大程度发挥联合作战的作用,一些 军事力量基于软件无线电(SDR)技术提出在现有军用无线电框架基础上整合出新 的系统,如美军战略级“最低限度应急通信网(MEECN)”、战术级“联合作战战 术无线电系统(JTRS)”,我们以JTRS为例介绍联合作战通信的目标和需求:JTRS 是美军公开的唯一一种意在兼容所有军兵种通信标准和基础设施的通用战术电台, 要求实现跨频段跨时空跨战区的横向(同级、不同军兵种的协调)和纵向(同军兵 种上下级的指挥)通信。为了实现这一目标,JTRS需要具备在不同标准的无线电波 之间快速切换的能力,为了明确并细化这一要求,美军特意制定JTRS规范框架—— 软件信息架构(SCA),对硬件、软件、接口的法则、方法及使用标准进行了规定, SCA目前已超越军用领域、成为软件无线电SDR技术界普遍接受的一种标准化规范。 (SCA规范要求之一是“现场可通过软件安装重构其工作方式及性能,以实现不同 波形组件的移植”。)SCA架构以往通常通过“通用目的处理器(GPP,如CPU、 GPU、MCU等)”实现,但随着无线电带宽和速率的提高,GPP越来越不能在短时 间内完成规模如此庞大的计算;同时随着未来越来越多的无线电波形的出现,过时 的硬件架构也会阻碍通信效率。因此,SCA架构下的SDR亟需一种“价格相对低廉、 提供并行高速运算”或者“能够实现硬件可编程”的新器件。

FPGA具有的强大并行处理和现场可编程的特点能够同时满足SDR-SCA的上述两 点需求。首先,FPGA并行并发的处理模式能以相对低价的协处理器形式实现高速运 算。在基带处理流程中,随着处理技术的发展,带宽规模越来越大,数据交换速率越 来越高。如上文提到的JTRS共支持43种军事无线电波形,其中某些新型波形算法更 加复杂、带宽需求更高,有的波形甚至要求每秒数百万条指令(MIPS)。在这种情 况下,FPGA可以与通用目的处理器(GPP)串联起来,成为专职负责数据并行处理 的协处理器,而将GPP的资源节省下来用于控制、协调等其他用途,提高SDR系统 的整体工作效率。其次,FPGA现场可编程的特点能够降低无线电系统的运维成本。 一方面,在数字中频(IF)处理流程中,完整的IF功能需要数字上变频器(DUC)、 数字下变频器(DDC)、数字预畸变(DPD)和波峰系数削减(CFR)四种子功能, 使用FPGA可以通过重编程特性实现一块器件四块功能,并且四个功能实时切换,达 到“一块器件的成本,四块器件的功能”的目的;或当带宽规模巨大,逼近GPP运 行极限时,令作为协处理器的FPGA重新配置,跳过软件层面的标准转换而成为硬件 层面标准A和标准B的直接转换器,分担算力(之前是标准A-标准B-…-标准N的网状 软件转换器);另一方面,若随着协议标准迭代,旧的硬件结构已经不适应新协议的 性能要求,技术部门可以在原有的FPGA基础上重新设计烧录,而无需购买新的器件。 综上所述,FPGA是实现SDR目标的优良解决方案。

FPGA在美军联合作战通信中的应用会进一步铺开,并具备拓展到民用领域的潜力 及可能性。据《面向SCA的DPR软件架构设计与调度技术》(郭彪、唐麟等,2021 年3月),美军主导制定了联合战术通信系统和联合战术网络中心计划,在2012年全 面实现软件无线电电台装备体制,截至到2017年底装备约50台各型软件无线电电台。 联合通信在海事通信、卫星通信、民航通信的联合并轨方面有指导意义,随着SCA 标准向商用领域和民用领域的不断扩散,预计FPGA在联合通信场景的市场需求会被 进一步拓宽。

(四)电磁对抗:FPGA 为产生战场复杂电磁信号提供重要的技术支撑

电子对抗为现代信息化战争的先导。电子战(electronic warfare, EW) 也称为电子对 抗(electronic countermeasures, ECM), 定义为使用电磁能、定向能、声能等技术手 段控制电磁频谱, 实施电子战的主要目的是为了阻止敌方对电磁频谱的使用,确保 己方的电磁频谱使用权、获得在电磁频谱中的优势和在电磁频谱空间中的行动自由。 现代战争中作战双方的对抗已不再是单一装备间的对抗,而是装备体系间的对抗、 各种作战力量组成的系统整体对抗。国防科大陈浩等在2017年论文《电子对抗中武 器装备体系作战能力评估研究》指出,技术的发展使得未来信息化战争趋向于打破 军兵种界限的一体化联合作战,电子对抗作为现代信息化战争的先导并贯穿战争始 终。《电子对抗在现代战争中的应用》指出,谁掌握了电子对抗的优势,就掌握了整 个战争的形势。国内外近年正逐步加强对于电子战的重视。据天银机电2018年年报, 2018年美国陆军通过发布新的电子战作战概念、实施电子战部队改革,着力推动“多 域战”一体化作战能力;美国海军发布第2400.3号指令《电磁作战空间》,正式将电 磁频谱作为继海、陆、空、天后的新的作战领域;据航天发展2015年5月28日公告, 2012年底总装备部下达复杂电磁环境下战技指标考核要求。解放军报也于2019年在 《制电磁权,未来战争入场券?》一文指出,21 世纪仍是频谱战的时代,正在发展 的无人化、智能化战争也是以电磁频谱的自由利用为前提,电磁斗争将是未来军事 竞争战略制高点。

现代仿真系统的建立与完善已成为电子战等信息系统从研制到装备不可或缺的重要 组成部分。据《仿真技术在雷达电子战系统中的应用研究》,“由于现代战场电磁环 境的复杂性和电子信息武器装备对电磁频谱空间的依赖性,依靠有限的实战演习难 以完成对电子信息装备及其装备体系在作战中的实际效能和各种电子信息装备平台 间协同作战能力的综合评判”,而且实战演习具有耗时长、费用高、易受环境制约、 试验结果不可重复等明显缺陷。因此,近年随着计算机、网络、仿真等技术发展,虚 拟战场的概念应运而生,利用仿真技术建立逼真的虚拟战场环境,是评估装备作战 效能、提升部队作战训练效果的重要手段。以美军为代表,仿真技术的运用已成为 提高美军部队作战效能的有效手段。据《美军作战仿真系统综述》,美军根据仿真的 应用需求建立了数以千计的仿真系统:美军已于20世纪80年代初开始引入一体化、 分布式仿真技术以协调完成复杂的仿真试验任务,至90年代中期美国在分布交互式 仿真体系下完成的仿真实体数最高可达50000个。

在复杂电磁环境背景下训练有益于有效提高部队在信息化战争中的作战力。据《基 于FPGA的多模式信号源的研究与发现》(汪东雷,国防科学技术大学,2010年11 月),由于军事领域电磁应用的日趋广泛,使得战争环境发生重大改变,出现了与传 统战场并重的新要素——电磁环境。目前电磁环境日趋复杂化,正在加速向多维空 间和更深层次渗透发展,体现在空域、时域、频域、能量上分布数量繁多、样式复 杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁环境。基于此,构建复杂电磁环境, 力求构建接近实战的战场电磁环境,有利于提高部队在现实信息化战场的作战能力。 该文提出,在训练中构建复杂电磁环境,除了利用真实的武器装备外,还要大量依 靠信号模拟器、计算机模拟技术、分布交互仿真技术、以及能够模拟假想敌的部队 (蓝军)等。而利用模拟器产生针对性的电磁环境,具有费用低、效果好、使用简 单等特点,是世界发达国家军队普遍采用的方法。北约靶场装备了大量的模拟器, 如安装在敞篷车上的战术雷达威胁模拟器可以模拟苏制地空导弹系统和四联火炮的 “炮盘”雷达,能够为参训飞机提供充满机动威胁和具有规避机动能力威胁的环境; 再如,美国中国大西洋电子战靶场配备的威胁信号模拟器可模拟地空导弹系统、通 信干扰机等信号等。

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我军训练基地和模拟蓝军建设初显成效,实战化对抗演练向空、网、电等多兵种联 合作战协同发展。12月11日至12日,全军军事训练领域的相关领导,训练基地、模拟蓝军部队主官及 有关专家集聚陆军某联合训练基地….重点探讨实战练兵环境构设问题,对接协调新 年度大项演训安排,统筹布局军事训练重点任务。军委管理部领导介绍,打通战斗 力生成链路,强化联合训练引领,突出重点对象领域,发展推进科技练兵,创新体系 练兵模式推进转型,优化训练保障布局,创设逼真练兵环境,发展先进训练手段, 建设用好专业蓝军,加强训练条件建设推进转型。

FPGA是满足模拟电磁环境所需的模拟器性能要求优良解决方案。随着信息技术的 不断发展,对于真实战场通信环境中的高频段、多样式、高密度的电磁信号环境的 仿真研究不断加强,继而要求模拟器需要可生成不同战术背景和试验条件下所需要 求的瞬时、宽频段、多信号样式、大信号密度、多方位、动态可控的复杂电磁环境模 拟信号,并且需要保证信号产生的标准性、稳定性和达到高水平的场景仿真真实性。 几乎所有电 子战系统应用程序的设计人员都使用CPU和FPGA,具有各自处理各种任务的独特 优势。例如,FPGA通常具有DSP模块,在解决计算密集型信号处理、数据处理、矩 阵处理、数字滤波等方面具有一定优势。在电子战和雷达应用的DSP系统中,FPGA芯片的主 要目的是执行前端传感器处理,因为其需要高水平的并行处理以及足够灵活、丰富 的I/O接口。因此,在寻找适用于电子战和雷达应用的最佳FPGA硬件时,重要的是 要考虑电路板和系统架构、I/O带宽、传感器接口选项、存储器带宽、FPGA处理能 力和加固能力。

三、复盘:集成平台促器件综合、扩张边界破产品局限

(一)复盘海外特种集成电流市场:重视国家大规模投入技术外溢效应

国防高技术是以军事需要为牵引而发展的当代尖端技术,许多高科技多首先在国防 领域应用。据《国防高技术产业R&D溢出效应》(胡茂盛,2011年3月,南京航空航 天大学),许多高科技往往首先在国防领域应用,由此产生了国防高技术群,如国防 微电子、国防光电技术、国防计算机技术、国防精确制导技术、国防新材料技术、国 防航天技术等,并通过国防高技术转换为民用,形成新的产业群,并在此基础上带 动各行各业技术水平的提高,从而提高整个国民经济效益。据测算,国防高技术转 民用后,经营得好的企业,其高技术产品获得的利润,可以达到总销售额的30%以 上(即国防转民用后经营好的企业净利润率可在30%以上)。

国防高技术产业具有丰富的科技资源、人力资源、产业资源,国防高科技产业的R&D 投入对相关产业以及区域经济发展具有很强的溢出效应。据《国防高技术产业R&D 溢出效应》(胡茂盛,2011年3月,南京航空航天大学),该文以1995-2008年间国 防高技术产业各部门的R&D投入以及民用相关部门的工业增加值等数据为样本,探 寻国防R&D投入对产业影响几何、国防高技术产业的R&D溢出能在多大程度上促进 相关产业的发展、相关产业能否真正从中受益?该文采用灰色关联度的方法分析了 国防高技术产业与相关部门之间的关联度,并用回归分析方法,对国防高技术产业 的R&D溢出效应进行了衡量,得出结论认为军工电子对电子通讯设备制造业存在较 大的溢出效应。

复盘海外,美国政府对国家安全应用的微电子技术需求与强大的资金支持,与其半 导体工业紧密相关。据《Trusted Microelectronics: A Critical Defense Need Dave Chesebrough》(李应选译,中国航天电子技术研究院科技委),从雷达和数据处 理开始,微电子技术支撑了战略司令部到现场通信、运输、武器系统和平台的所有 军事和国家安全系统。实际上,美国半导体工业的发展在一定程度上源于美国政府 对研发的资助,然而近些年商业应用的大规模拓展和大批量生产使得政府对微电子 器件的需求被边缘化。例如,据《半导体产业优势国家和地区资金支持的经验与启 示》(张晓兰,黄伟熔,国家信息中心经济预测部,2020年第8期),美国采用国 防采购资金支持产业发展,而集成电路产品与军事领域关系密切,依托军备采购的大量需求美国半导体产品军用市场空间巨大,而在半导体产业发展初期,美国厂商 与军队合作研发,产品主要以军用领域为主。如1959年美国导弹发射系统首次应 用集成电路、1961年Ti公司与美国空军共同研制出首台集成电路组装计算机,军队 注入大量资金为美国半导体产业发展提供了强大支持,直接推动产业扩张和技术进 步,为美国集成电路产业优势的形成奠定了坚实基础。据该文,20世纪60年代, 美国80%~90%的集成电路产品由国防部购买,直至90年代末美国半导体市场才逐 渐转向为民用领域。

(二)Xilinx 介绍:全球 FPGA 行业破局者、领先者、增长型 IC 企业

产品标准化创新的先驱者,公司发展的重点产品和软件推出引领行业发展方向。 Xilinx(赛灵思,XLNX)成立于1984年,是一家提供半定制可编程逻辑器件解决方 案的平台。Xilinx主要经营FPGA、SoC、ACAP等器件以及配套的开发工具、IP核、 设计服务和培训服务,市占率超过50%,目前处于全球相关行业的龙头位置。Xilinx 的产品主要应用于国防工业、5G、汽车电子、数据中心等领域。Xilinx属于Fabless 经营模式,本身只负责器件的设计、开发和销售,而将器件的生产外包给专业的半 导体制造公司如UMC、IBM和Seiko Epson。从产品属性看,FPGA半定制化的可编 辑性和灵活性成为其绑定高端通信客户的先天优势,但定制化的价格和成本高敏感 性反过来成为FPGA应用领域下沉的关键阻碍。Xilinx从1985年开始在产品标准化领 域持续发力,通过提供泛用性的编程解决方案向下游其他市场突围。1985年,Xilinx 推出世界首款商业化FPGA芯片“XC2000”,通过自创门阵列通用结构推动产品标准 化开端,随后公司推出Virtex芯片和配套Easypath编程逻辑解决方案进一步降低用户 学习成本,提升产品泛用性。2018年,公司推出具有功能突破性的ACAP平台实现对 AI和机器学习领域的市场渗透。

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FPGA市场绝对龙头,主业聚焦增长稳健。放眼长期视角,Xilinx营业收入规模在上 世纪末保持强劲增长势头,进入21世纪后增速放缓但仍保持稳健增速,且在FPGA产 品领域市场份额稳定保持50%水平且震荡上升。Xilinx2020财年营收31.63亿美元, 同比增长3.39%;2019财年营收32.59亿美元,同比增长24%,该财年营收增速较大 或与新产品ACAP的推出和软件平台Vitis的开源免费带来的客户引流有关。从营收构 成来看,国防工业和5G领域业务是主要组成部分,营收占比之和超过80%,主营业 务集中度高。国防、工业、TME(测试、测量&仿真)业务为公司长期以来的绝对主营业务,营收占比接近50%且增速始终保持稳定,5G领域业务在亚太地区特别是在 中国迅速扩张,2019财年和2020财年的营收增速分别是44.66%和32.93%。

外部并购与内部研发双核驱动,技术实力铸就高技术壁垒。近年来Xilinx持续整合产 业链相关公司,致力于增强技术优势,泛化拓展产品边界,如收购Solarflare为公司 提供SmartNIC技术以降低网络连接低延迟,收购DeePhi以优化软件,提升FPGA在 视频和图像深度学习方面的优势。Xilinx对这些公司的收购重组实现了产品细节的优 势互补,致力于为客户提供更专业丰富服务、打造可编程逻辑生态平台提供捷径。 研发费用持续保持正增长态势。Xilinx近四年研发投入以12.4%年复合的增长率持续 上涨,到2020年已实现每年超过8亿美元的巨额投入,超过行业第二Altera(现为Intel 子公司)的每年4.18亿美元和行业第三Lattice的6.12亿美元。2018年,公司研发历 时4年,斥资超过10亿美元的自适应计算加速平台ACAP问世。ACAP将软可编辑模 块和硬不可编辑模块相结合,赋予用户动态调整硬件的能力,该项产品的应用领域 目前还较为狭窄,但考虑其未来在AI、机器学习等领域的广阔应用前景,或为公司带 来可观营收。

(三)FPGA 厂商核心壁垒:软件工具、转换成本、IP 资源、产品定位

1.FPGA的设计流程是一系列EDA设计工具链的综合,编程语言的专用性及流程的 复杂化等加大第三方企业渗透的难度。用户在FPGA设计流程中,需要使用到HDL语 言、逻辑综合工具、门级网表工具、工艺映射工具、逻辑打包工具、布局工具及布线 工具等一系列EDA设计工具。从工作内容看,一般FPGA的EDA软件处理包括以下步 骤,电路设计、逻辑综合、工艺映射、布局布线、仿真和编码下载等。具体看,据西 安电子科技大学2010年硕士论文《基于LUT的FPGA工艺映射优化》,FPGA支持软 件的设计流程,是从用户的设计输入开始,首先进行逻辑综合,将设计输入转化为 网表文件并优化,而后采用约束库进行技术映射,再进行布局布线、时序分析、功耗 分析、仿真烟增,最后汇编产生二进制的比特流文件下载到芯片,继而完成FPGA的 开发。

在布局布线中,因支持FPGA开发的EDA软件需要将电路描述为FPGA芯片的配置 信息,因此EDA设计软件必须利用FPGA芯片的内部结构信息,而为了该信息不被 泄密而增加芯片设计被破解的可能,因此除了前端的(如行为综合、逻辑综合、前 仿真)可使用第三方工具外,FPGA芯片供应商一般都提供自己设计的EDA后端工 具(如工艺映射工具、布局布线工具等),如在21世纪初期Altera、Xilinx分别有自 己的开发工具Quartus II、ISE工具。专用工具的复杂化与FPGA技术升级相互驱动, 结构越复杂、密度越高、性能越强的FPGA往往会带动相关软件的复杂化、升级化, 因此软件的供应能力与专用性形成FPGA企业的壁垒之一。制程的先进性除与公司 自身的研发水平相关外,也与下游代工厂相关,同时主要厂商Xilinx与Intel在先进制 程的推出时间上相差不大,因此软件带来的竞争优势相对而言会更为持久。

2.软件复杂化及专用化带来使用者更高的转换成本。对于芯片设计商而言,产品相 对更趋于标准化。而对于下游客户而言切换使用平台的难度更多取决于其本身的产 品粘性及陡峭的软件学习曲线,即使是开发新设计,对于客户而言转换FPGA供应商 的成本也更高。FPGA需要独特的硬件语言编程,当制程工艺越先进,使用复杂特定 开发软件即意味着需要更多的精力。例如,随着FPGA厂商逐步提高产品集成化,在 芯片中涉及大量的LUT结构、高性能运算单元、应用处理器、内存层次资源等。虽然 体系结构的复杂化增强了产品并行处理性能的优势,但也增加了客户编程的复杂性。 因此,一旦客户设计团队熟悉供应商特定的开发软件,再切换到其他供应商的学习 曲线变十分陡峭。从某种程度上说,对于Altera和Xilinx而言二者在起步阶段并无重 大的、领先的器件优势,而各自软件优势(包括运营)反而会使得二者的市场份额保 持相对稳定。

3.先发优势下,IP核资源的积累逐步巩固护城河,并可创造边际成本接近为0的类 AMD模式。IP核也称为知识产权核或知识产权模块,是集成电路中可重用设计方法 学中针对芯片设计的可重用模组。对于FPGA,通过将更多的系统级设计工具和IP内 核与其结合使用,可以增强FPGA与其他方案相比的竞争优势。对于FPGA厂商而言, 更多使用的硬IP内核(用来提供设计最终阶段产品,嵌入在PLD电路中),与软IP核 (使用Verilog、VHDL等硬件描述语言的功能块)相比可实现更低成本、更高性能与 更低功耗。例如,对于Xilinx,2014年其支持类产品(软件、配置方案、IP核以及设 计设备)实现收入0.83亿美元,占总销售收入的3.5%。相比于硬件销售,IP核等作 为研发费用已前置的产品,对于Xilinx而言销售给客户的边际成本接近为零,具备高 利润率、易复制等特征。

4.高中低端互补、差异化与集成化共存的产品布局战略。具有从45nm到7nm的全制 程覆盖,利于Xilinx拓宽其产品应用范围及目标客户,进一步增强客户粘性,并在一 定基础上通过多群体开发降低FPGA在设计与开发环节的算法、语言的难度与丰富IP 核资源库,本质上将推动FPGA向大众化开发方向发展。此外,Xilinx在基站、航空 航天、数据存储、汽车等多应用场景的拓展,利于降低单一市场波动对企业经营的 影响,提高抗宏观及中观风险能力。

(四)集成平台,实现多器件综合,突破现有市场限制并增加客户粘性

相比于AISC在量产期的低成本,FPGA在发展初期往往更多用于量产规模小的原型 制造、产品初期验证或者与其他芯片共同出售,限制FPGA的规模应用与市场开拓。 因无需高额流片即可验证芯片产品,在量产初期或者开展研发类项目,FPGA的性价 比优势最为明显,可实现对ASIC的部分替代。但当量产规模提升后,FPGA的性能 优势以及成本优势反而下降,且该时期内FPGA的传统优势——可编辑性带来的灵活 性——反而对产品及市场推广意义较低,因此该时期OEM厂商通常会使用ASIC。

量产后期带来的成本劣势等易限制FPGA的应用。简单来说,FPGA在市场上的强大 卖点是产品的快速发展和不断变化的标准。自1985年Xilinx推出全球第一款商用 FPGA以来,在90年代末期公司业绩(以及全球FPGA市场)主要由通信产品推动。 在通信等领域,FPGA有着广泛的应用,因其需要高速的通信协议处理方式(契合 FPGA的优良并行处理能力),另一方面通信协议随时都在修改(契合FPGA的可编 辑性),不适合做成专门的芯片,所以具备可编辑性的FPGA就成为相关通信厂商权 衡成本与性能后的首选。总结看,数量需求、价格以及成本敏感性成为PLD厂商盈 利能力与收入提升与增长的最大障碍之一。同时,除通信领域以及规模化应用前的 ASIC验证外,高速数字信号处理领域也是FPGA的传统优势领域,如军工、航空航 天等领域。但该领域的潜在增长与规模相比于消费端仍有一定差距。基于此,Xilinx 在1998-2001时期通信类产品收入占公司总收入接近75%(月度)。

芯片制造技术的进步使得Xilinx可以在原有产品上集成更多功能,继而打破现有应 用市场的限制。相比于此前的单纯可编程门阵列架构,得益于芯片制造技术的进步 (摩尔定律推动下,集成电路晶体管数量在单位晶圆面积下扩增,同时成本也更低), Xilinx通过推出高端产品集成更多功能,提供更低价格的集成解决方案。例如,2001 年后期Xilinx在其高端Virtex产品和Spartan产品线中实施该战略,借此切入潜在市场 规模更大的DSP或者MCU等市场。

高端产品实现集成化与低成本化,增强产品竞争力与客户粘性,并进一步向对价格 敏感程度高的消费级市场拓展。2002年,Xilinx发布Virtex-II Pro FPGA系列产品,并 在2003年发布新价格点,总体价格水平比2002年降低多达50%,Xilinx主要将这一业 界领先的新价格水平归功于采用300毫米晶圆制造工艺以及同类产品中最小的芯片 尺寸。在当时,该产品可提供同类产品中功能最强大、成本最低的解决方案——以 不到30美元的价格提供集成有超过6700逻辑单元和500K位嵌入式块存储器,以及一 个嵌入式PowerPC处理器和四个RocketIO串行收发器的FPGA器件;以不到100美 元的价格提供集成有2万个逻辑单元和1.5M位嵌入式RAM,以及两个PowerPC处理 器和八个RocketIO收发器的FPGA器件,具备业内领先的产品竞争力。除价格降低 外,得益于同步开发的Virtex-II Pro EasyPath解决方案,客户使用门槛逐步降低。 Virtex-II Pro EasyPath解决方案是彼时业界速度最快且风险较低的可编程逻辑解决 方案成本降低途径,可进一步提供高达80%的成本节约。利用该系列产品解决方案, 客户进行复杂系统设计不仅可继续利用Virtex-II Pro FPGA作为系统的关键单元,同 时还拥有通过Virtex-II Pro EasyPath解决方案投入生产的灵活性,实现对客户的进 一步绑定。开发较低器件密度产品,为客户提供可大批量应用的低成本解决方案, 实现向规模性较为突出、对价格敏感的消费级市场拓展。对于需要较低器件密度的 大批量应用,Xilinx公司提供世界上成本最低的FPGA产品线——Spartan-IIE系列产 品为新应用提供了高达60万系统门的逻辑密度和高达514个I/O引脚,并实现低成本 化,并随该系列产品的扩充,Xilinx进一步巩固了自己在为FPGA和ASIC客户提供针 对低成本应用(如机顶盒、等离子显示屏和广播视频设备)的大I/O数器件方面的领 导地位。

(五)扩张边界,从客户需求出发,降低软件编程壁垒与产品应用局限

从客户需求出发,协助客户从FPGA向ASIC实现转变,为客户提供可行的芯片研发 低成本路径。如上文所述,如果客户若希望实现规模化量产与应用,从成本与性能 角度考虑一般会从PLD过渡到自行设计的ASIC。为减少此类客户的流失及增强粘性, Xilinx及其竞争对手Altera(目前已被Intel收购)提供了过渡路径。对于Xilinx,根据 客户所要求的用途定制测试设备而后将其出售。Altera提供了一项称为“Hardcopy” 的政策,具体方案为,根据客户的PLD设计,Altera将为他们创建结构化的ASIC或半 定制芯片。然后,Altera将节省的成本(可以在90%的范围内)转嫁给客户,并可实 现对客户的挽留,这种半定制设计方法可以为客户提供技术优势和卓越的性能。

FPGA规模普及难点之一为较高难度的编程设计(客户角度),因此Xilinx一直致力 于增加软件的通用性以进一步降低客户的使用壁垒。对于更新周期极快的IC行业, 客户需要便捷方便的设计环境,以提升生产力、缩短上市时间、尽可能实现集成化 需求。2012年,Xilinx推出从2008年开始编译的集成设计环境——Vivado设计套件, 该套件包括高度集成的设计环境和新一代从系统到IC级的工具,是一种以IP和系统 为中心的、领先一代的全新SoC增强型综合开发环境,可解决用户在系统级集成和 实现过程中常见的生产力瓶颈,并在后续逐步升级。

一方面,该套件可为客户解决 集成化、组件化的设计瓶颈。例如,Vivado设计套件采用了用于快速综合和验证C语 言算法IP 的ESL设计,实现重用的标准算法和RTL IP封装技术,标准IP封装和各类 系统构建模块的系统集成,模块和系统验证的仿真速度提高了3倍,与此同时,硬件 协仿真性能提升了100倍,相对于同类竞争工具,Vivado设计套件从总体上把集成度 和实现速度提高至原来的4倍。

另一方面,降低客户设计门槛、增加IC设计的便捷性。 Vivado开发套件支持C语言到RTL的映射,以及支持亿门级电路设计。简单来说,一 般业绩算法开发常采用C、C++和SystemC高级编程语言。在过往FPGA设计流程中, 需要经过缓慢且容易出错的步骤来将采用上述语言编写的算法转换为适合于综合的 Verilog或VHDL硬件描述,而Vivado开发套件系统版本中提供的Vivado高层次综合 功能可轻松自动地完成之一步骤。此外,更为关键的是,该功能的实现,保证了IP核 的丰富程度,让系统和设计架构人员可将生产的IP硬核轻松嵌入基于RTL的设计流 程中,使得硬件设计人员将更多时间投入设计领域、找出理想的设计解决方案,打 破传统的RTL设计生产力的局限性。该版本在后续得到逐步更新,如在最新的Vivado HLx Editions中,因采用了基于C/C++的设计和加速复用、特定领域专用库、IP子系 统、集成自动化、加速设计收敛等,相比采用传统方法而言,可将用户的生产力提高 10-15倍。例如,对于视频运动估算算法,C输入到Vivado HLS这种方式能够在10秒 内执行10帧视频数据,而对应的RTL模型处理同样的10帧视频则需要大概两天时间 才能完成。

为适应人工智能与机器学习需求推出软件设计平台,免费开放加强生产系统建设, 主动切入英伟达目前主导的广阔机器学习市场,并在Vivado的基础上实现覆盖硬件、 软件、AI与数据科学家的开发生态系统。Xilinx历经五年、投入1000个工人年,于2019 年推出Vitis统一软件平台,并宣布其重要组件Vitis AI开放下载。ViTIs统一软件平台 无需用户深入掌握硬件专业知识,即可根据软件或算法代码自动适配和使用赛灵思 硬件架构,并且不限制使用专有开发环境,利用丰富的、优化过的开源库,使得客 户可专注于算法的开发。Vitis平台构建在基于堆栈的架构之上,该架构可以无缝插 入到开源的标准开发系统与构建环境。该平台有四个层级构成,基础层为由电路板 和预编程I/O构成的目标平台;第二层为Vitis核心开发套件,并提供包括编译器、分 析器和调试器等核心开发工具,这些工具设计的目的是希望将可编辑器件的开发能 与业界标准的构建系统与开发环境无缝集成;第三层为由8个Vitis库提供的400余种 优化的开源应用,借助此类库软件开发者可以使用标准的应用编程接口来实现硬件 加速;第四层为具有变革意义的Vitis AI,集成的特定领域架构为客户提供了针对AI 模型的硬件实现。从最开始的硬件开发平台Vivado,到后面的OS和固件SDK,包括 一些嵌入式的软件开发环境,到不同的云计算的开发,Vitis实现将各类环境、语言、 库不同,针对包括云和边缘统一到平台,以适应当下AI、机器学习等对计算能力与 开发能力的需求。

实现从传统硬件公司转型为软件平台公司。作为公司战略之一,Xilinx致力于“开源”, 从2007年开始,成立多个开源库,如GCC、LLYM、U-Boot等。此外,Xilinx还推出 了Developer.xilinx.com网站,主要将Vitis专家和相关的开发人员建立起联系,实现 资源整合与开放生态系统。硬件+软件的平台生态是器件生产商成就卓越的必经之路, 开发人员的多寡与合作伙伴生态系统的丰富程度为器件生产商平台生态丰富度的重 要指标,尤其对于FPGA厂商而言(编程难度及生态系统的薄弱是FPGA拓展市场及 客户的重要障碍,如FFCM对于FPGA十大预测从1996年的“We will hate the tools” 到2016年时仍称“FPGA design tools will still need improvements”)。参考英 伟达,GPU之所以成为目前AI与机器学习的基石,不仅仅是因为GPU强大的大规模 并行计算能力,更因为其丰富的生态系统。2006年英伟基于GPU推出基于GPU做通 用计算的CUDA平台,长期经营及丰富资源逐步成为相关开发者首选。对于CUDA, 除易于编程与性能提升外(采用通用并行计算架构,该架构使GPU能够解决复杂的 计算问题,开发人员可以使用C语言为该架构编写程序,编写出的程度可以在支持 CUDA的处理器上高性能运行,并在2010年推出的CUDA 3.0支持C++与FORTRAN,目前已支持包括Python在内的多种高级编程语言),与任何新平台一样,CUDA的 成功依赖于CUDA生态系统可用的工具、库、应用程序和合作伙伴。也正如黄仁勋在 GTC 2019 技 术 大 会 上 所 说 “ 生 态 系 统 是 使 GPU 计 算 成 功 的 关 键 ” ,并在该大会上发布统一化的生态系统——全新的 AI 加 速计算库CUDA X AI库。通过一致的环境,让NVIDIA的所有产品都能够实现最大限 度的软件加速。计算性能接口的最简化,将极大地加速整个软件和应用的开发工作, 显著地简化开发流程。

大胆创新改革传统FPGA架构,推出自适应计算加速平台ACAP,契合机器学习算法 等对计算资源等需求。2018年3月,Xilinx宣布推出一款超越FPGA功能的突破性产 品——ACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform,自适应计算加速平台)。 ACAP为高度集成的多核异构计算平台,采用台积电7纳米工艺技术开发,可根据各 种应用的需求从硬件层对其进行灵活修改,具备在工作过程中进行动态调节的自适 应能力,实现了超越CPU和GPU的性能与性能功耗比。ACAP产品的推出积极契合 大数据、AI、机器学习等迅速扩张的需求,可在视频转码、数据库、数据压缩、搜 索、AI推断、基因组学、机器视觉、计算存储及网络加速等多项领域实现应用。赛灵思总裁兼首席执 行官(CEO)Victor Peng 表示:“这不仅对业界来说是一项重大的技术颠覆,更是 我们自发明 FPGA 以来最卓著的工程成就。这款革命性的全新架构是赛灵思更广泛 市场战略的一部分,将帮助公司朝着 FPGA 以外的领域发展,并突破‘仅支持硬件 开发者’的局限。ACAP 产品在数据中心以及我们广泛市场领域的应用,将加速自 适应计算技术的广泛普及,从而让智能、互联、自适应的世界更早成为现实。”

ACAP核心为新一代的FPGA架构,在之前的硬件集成化产品的基础上实现软件可编 程,突破原有的硬件限制。据Xilinx官网介绍,ACAP历经4年研发、累计投入10亿美 元,其核心是新一代的FPGA架构,结合了分布式存储器与硬件可编程的DSP模块、 一个多核SoC以及一个或多个软件可编程且同时又具备硬件自适应性的计算引擎, 并全部通过片上网络(NoC)实现互联。此外,还拥有高度集成的可编程I/O功能, 根据不同的器件型号这些功能从集成式硬件可编程存储器控制器,到先进的SerDes 收发器技术,前沿的RF-ADC/DAC和集成式高带宽存储器(HBM)。从本质上说, ACAP的本质仍然是基于可编程逻辑阵列的异构计算芯片,但在多个架构上实现了换 代与革新,并可为从云、联网至无线通信、边缘计算、端的各个市场的诸多应用提供 可扩展性和AI推断功能,切入更为广阔的万物互联市场。

四、禀赋:IP 核资源、多品类集成潜力、硬软件协同

具备IP核资源、多品类集成潜力、高效经营机制的军工FPGA企业有望脱颖而出。复 盘全球FPGA巨头Xilinx成长史,且基于FPGA作为标准化IC的认知,我们认为军工 FPGA厂商其核心竞争力与民品端一致性较强,核心围绕“先进技术+完整生态”, 具体表现为领先的IP数据库以支撑快速的产品迭代与边际递减的研发投入、多品类 及系列化的产品布局下具备提供集成化产品增强客户粘性的优势、“硬件+软件”的 一站式销售解决客户开发难点及增加客户转换成本。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库官网】。

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