1.2万种制裁措施下，俄军王牌武器中的FPGA “万能芯片”？！

作者：二马路的冰

排版：芯光猫

出品：SOlab

深度好文，约5000字=17分钟阅读

2022年2月24日，俄乌战争爆发。迄今俄乌战争已经超过500天了，不但没有停火的迹象，还越打越激烈。截止目前，乌克兰方面声称，俄罗斯控制乌克兰领土约11万平方公里。其中，战前已控制约4.4万平方公里，经过500天战斗控制了约6.6万平方公里，乌军将继续对俄军展开反攻。俄罗斯方面则声称，四个核心目标：即去军事化，去纳粹化，解放顿巴斯地区，不许乌克兰加入北约，没有发生变化。

在战场上的俄制龙卷风-S多管火箭炮。图源：凤凰卫视

俄乌战场上，美制海马斯HIMARS多管火箭炮对轰俄制龙卷风-S多管火箭炮的情况大家已经知道了。2023年7月5日，《俄罗斯报》网站报道，在特别军事行动区给敌人造成最大损失的是多管火箭炮。它们的口径和战斗用途各不相同，合在一起是一支令人生畏的力量。300毫米口径的BM-30“龙卷风”仍然是威力最大的俄罗斯国产多管火箭炮。12枚火箭弹在射程最远端的杀伤面积为67公顷。“龙卷风”的弹药包括高爆弹、聚能反坦克弹、温压弹等。12个发射管可以单管发射或齐射。在获得目标指示后，“龙卷风”的战斗准备时间为3分钟，齐射时间为38秒。开火后1分钟即可作好转移阵地的准备，以便及时避开敌人的反击。

被称之为“龙卷风”的300毫米远程多管火箭炮。图源：凤凰卫视

公开资料显示，9K515“龙卷风”S多管火箭炮采用了俄制GLONASS导航系统和新的9M542火箭弹。9K515为每枚300毫米制导火箭弹提供单独的数据，有效射程达到了120公里。

FPGA芯片是300毫米制导火箭弹不可或缺的核心芯片。另外，FPGA也是俄制R-330BMV电子战系统不可或缺的核心芯片。

本文试图简要论述如下四个问题：

1、什么是被称为“万能芯片”的FPGA？

2、FPGA芯片被哪些产商所垄断？

3、FPGA芯片在武器系统中的作用是什么？

4、重重制裁之下，俄罗斯为啥还不缺FPGA芯片？

“万能芯片”FPGA简介

FPGA，英文全称为Field Programmable Gate Array，中文全称为现场可编程门阵列，属于逻辑芯片大类，是一种半定制化、可编程的集成电路，是专用集成电路（ASIC）领域的核心芯片之一。

FPGA是一种重要的逻辑芯片。图源：百度

FPGA与CPU、GPU、ASIC等芯片的核心区别是：FPGA芯片是在PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上发展的一种半定制电路，其底层逻辑运算单元的连线和逻辑布局未固化。而CPU、GPU、ASIC等芯片则相反，物理底层逻辑单元的运算关系均已固定且不可变。

因此，FPGA芯片具有可编程灵活性高、选择性丰富、开发周期短、并行计算效率高等优点。其缺点是功耗较大，成本较高、编程设计难度大等。

具体来说，用户可通过EDA软件对FPGA编程，进行功能配置，可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。FPGA买来编程后即可直接使用，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。

FPGA芯片。图源：百度。

FPGA内部三大主要资源：可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、内部布线资源，历经硬件描述时代、嵌入式软核时代和异构系统时代三个阶段。

FPGA内部三大主要资源。图源：《Performance Analysis of Nanoelectromechanical Relay-Based FieldProgrammable Gate Arrays》，Tian Qin; Simon J. Bleiker 等

具体来说，用户在使用FPGA过程中，工程师会使用硬件描述语言Verilog或者VHDL重新编程芯片内部资源，从而实现不同的逻辑功能。需要指出的是，FPGA可以进行重复编程，相当于一块可以反复布线的电路板。当然，FPGA的功能比电路板功能强大得太多了。FPGA既解决了定制电路的功能单一不足问题，又解决了原有器件门电路数较少的问题。

简单来说，FPGA相当于一个配备了软件模块的积木部件，同时拥有流水线并行和数据并行功能。FPGA出厂时不具备任何功能的，FPGA相当于一张白纸，工程师可以进行任意创作。基于灵活可重新配置的功能，FPGA具有设计灵活、集成度高、并行计算和上市周期短等优点。作为参考， GPU 几乎只有数据并行功能。

基于FPGA可以被反复烧写、现场可编程性的独特性质，FPGA被誉为“万能芯片”，是芯片市场不可或缺的重要组成部分！

FPGA芯片被双寡头垄断

1984年，赛灵思联合创始人Ross Freeman发明了FPGA。1985年，美国赛灵思公司推出世界首块商用FPGA芯片，即XC4000系列FPGA产品（采用 2μm 工艺）。这是芯片从定制化向标准化、创新化迈进的里程碑进展。这个时间比摩尔定律的提出晚了20 年。一经问世， FPGA就一路开挂，高歌猛进。

根据Frost&Sullivan数据，2020年，全球FPGA芯片产业规模为60.8亿美元；2021年，全球FPGA芯片产业规模约为68.6亿美元。2023年，全球FPGA芯片产业规模约为76.58亿美元。Frost&Sullivan预测，2025年全球FPGA需求将达125.8 亿美元，年均复合增长率约为16.4%。

2022年，FPGA芯片应用于网络通信的占比为41.52%，应用于数据中心的占比为31.23%，应用于汽车电子的占比为10.54%，应用于消费电子的占比为6.94%,应用于人工智能的占比为3.88%。

目前全球 FPGA主要供应商包括AMD（Xilinx）、Intel（Altera）、Lattice和Microchip（Microsemi）等，2021年这四家行业寡头的市占率分别达到了51%、29%、7%和6%，加总后占据全球93%的FPGA市场份额。若以销售额口径统计，市场呈现双寡头形式，2021年赛灵思和英特尔两家的合计占有率达80%。

经过40多年的发展，FPGA的容量提高了一万倍以上，速度提高了一百倍以上，价格和能耗缩小了一千倍以上。以全球容量最大的Intel公司的FPGA Stratix10GX10M为例，采用14nm工艺制造，集成了443亿个晶体管，在70毫米×74毫米的封装面积内拥有多达1020万个逻辑单元，每平方毫米3100万个晶体管。

Intel公司的FPGA Stratix10GX10M芯片。图源：Intel公司

目前国内的 FPGA 厂商主要有复旦微电、紫光同创、安路科技等厂商。成立于 2011 年的安路科技是国内领先的 FPGA 芯片设计企业。28nm FPGA产品已正式量产，是国内首批具有28nm FPGA 芯片设计能力和量产能力的企业之一。但同国际FPGA芯片巨头相比，仍有较大差距。根据Frost&Sullivan的数据， 28nm-90nm制程的FPGA占中国市场份额为63.3%，28nm以下制程的FPGA芯片占据20.9%的市场份额，>90nm制程的FPGA占比15.8%。

FPGA 每个逻辑单元的功能在重编程（烧写）时就已经确定，不需要指令，无需共享内存的体系结构。FPGA最为核心的概念是IP核，即通过验证的、具有特定功能的可复用电路模块，可以移植到不同的半导体工艺中，直接植入芯片设计。国际上IP核的龙头企业主要包括ARM（英）、Synopsys（美）、Candence（美）等。任何IP核的小缺陷都有可能导致FPGA的芯片研发费用打水漂。IP核越丰富，工程师的设计就越方便，越容易把设定的功能添加到板子。

FPGA的核心是IP核。图源：百度

FPGA芯片在武器系统中的作用

当前,越来越多的军事通信系统工作在很宽的频带上，对于保密和抗干扰有很高要求，要求处理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以便得到更宽的频率搜索范围,获取更多的信息量。

作为先购买后设计的万能芯片，FPGA广泛应用于国防航天、通信、汽车电子、工业控制等领域。可编程门阵列FPGA的问世，显著改变了数字系统的设计方式。在国防领域，FPGA充分满足了武器系统对并行性、灵活性、保密性、小批量的芯片需求。具体来说：

1、更为灵活地应用于诸多军事场景；

2、缩短装备设计与定型时间；

3、可在不交换硬件的情况下改变武器信息系统行为；

4、实现硬件共享，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；

5、保密性突出，符合军用产品的高安全性要求。

FPGA在导弹与弹药上的应用。图源：赛灵思官网

去年，俄军芯片采购清单流出，包括极度重要的25种芯片。

采购清单中“极度重要”的部分芯片型号， FPGA芯片极为显眼。图源：百度

据报道，其中最昂贵一款芯片是英特尔公司的FPGA，型号为10M04DCF256I7G，其每片采购价高达66,815.77卢布或1,107欧元，换算成人民币接近7700元。而在芯片短缺之前，它的成本将低于20欧元。

总之，武器系统用到的芯片包括微处理器与片上系统（SoC）、现场可编程门阵列（FPGA）、存储器、模数/数模转换器（AD/DA）、总线与接口、通用逻辑、射频与微波、电源管理、ASIC、微系统与模块、以及半导体分立器件等17个门类，类型约为1000余种。

根据英国皇家联合服务研究所（RUSI）的一份新报告，在乌克兰回收的俄罗斯武器中发现了450多个外国制造的电子零部件，大部分来自西方，其中至少318种是美国公司生产的。其中许多芯片和部件是2014年前生产的。

RUSI对一套俄罗斯无线电干扰设备进行拆解后发现，其芯片来自十几家美国公司，包括Intel、ADI、TI等，此外还包含欧洲、日本和中国台湾的六家芯片制造商。

被击落的俄军用无人机主板。图源：RUSI

重重制裁之下，俄军为啥不缺FPGA芯片？

2014年，俄罗斯宣称克里米亚并入了俄罗斯领土，随后美国加大了对俄罗斯的制裁，尤其是电子元器件方面的制裁。俄乌战争爆发后，西方的制裁更是层层加码。不完全统计，迄今为止，俄罗斯一共受到12061项制裁，创造了新的历史记录，比其他受制裁所有国家所有项目的总和还要多。

美国商务部长雷蒙多（Gina Raimondo）在美国参议院拨款委员会曾表示：最近从乌克兰提供的报告得知，乌军从俄罗斯坦克找到大量从洗碗机、冰箱拆下的芯片。这些坦克有的是被乌军缴获，有的是被俄军弃置在战场上。

俄军拆洗碗机和冰箱芯片。图源：华盛顿邮报。

德国前国防部长，现任欧盟委员会主席冯德莱恩在谈及俄乌局势时曾表示，俄罗斯工业已经因缺乏半导体而陷入困境，俄军只能拆掉洗碗机和冰箱，从中取出芯片来用来修复军事设备。

俄军拆洗碗机和冰箱芯片。图源：华盛顿邮报。

显然，尽管俄军面临严重的芯片短缺问题，但是拆掉洗碗机和冰箱的芯片来修复军事设备的可信性很低。技术层面上，洗碗机和冰箱的芯片几乎不可能用于军事设备。操作层面上，完全没有这种必要。

俄罗斯武器离不开西方研制生产的芯片。俄罗斯以前委托中国台积电公司生产其设计的芯片，俄乌战争后，中国台积电公司不再为俄罗斯代工了。但是，一方面，部分军用芯片俄罗斯可以自产，这些军用芯片对设计和产生的要求通常不高。俄罗斯的米克朗公司能稳定生产180纳米制程工艺的芯片，也可以小批量生产90纳米芯片。另一方面，很多芯片也是军民通用的，可以通过其他渠道购买，用手提箱就可以完成运输，还不至于拆洗碗机、冰箱的芯片用于武器系统。