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FPGA芯片靈活性高、應(yīng)用開(kāi)發(fā)成本低、上市時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋了包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場(chǎng)。

FPGA 名為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是一種硬件可重構(gòu)的集成電路芯片，現(xiàn)場(chǎng)可編程性是FPGA的最大特點(diǎn)。

FPGA 由可編程的邏輯單元(Logic Cell)、和外部進(jìn)行信號(hào)交互的輸入輸出單元(Input Output Block)與連接前兩種元素的開(kāi)關(guān)連線陣列(Switch Box)共三個(gè)部分構(gòu)成。從產(chǎn)品發(fā)展角度，先進(jìn)工藝(制程)、先進(jìn)封裝可以提升FPGA容量，而同工藝下優(yōu)化基礎(chǔ)單元LC的設(shè)計(jì)及其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提升FPGA的性能，同時(shí)軟件的持續(xù)優(yōu)化、豐富的軟核IP庫(kù)也是不同廠商競(jìng)爭(zhēng)力高低的體現(xiàn)。

FPGA 的類型從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理來(lái)講，可以分為基于 SRAM 技術(shù)、基于反熔絲技術(shù)、基于 EEPROM/Flash 技術(shù)。就電路結(jié)構(gòu)來(lái)講，F(xiàn)PGA 可編程是指三個(gè)方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心.

01FPGA優(yōu)勢(shì)所在

隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)迭代、新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，信息數(shù)據(jù)的規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，集成電路下游應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富。而在摩爾定律的發(fā)展規(guī)則下，現(xiàn)階段集成電路性能提升速度已無(wú)法滿足數(shù)據(jù)增長(zhǎng)對(duì)計(jì)算性能需求的增長(zhǎng)速度。因此在芯片材料等基礎(chǔ)技術(shù)未取得突破前，一種有效的解決方法就是采用專用“CPU+協(xié)處理器”來(lái)提升處理性能。現(xiàn)有的協(xié)處理器主要有FPGA、GPU和ASIC專用芯片，其中,FPGA芯片由于其獨(dú)特的架構(gòu)擁有其他協(xié)處理器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：

①靈活性：在數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的執(zhí)行中，ASIC專用芯片作為協(xié)處理器在吞吐量、延遲和功耗三方面具有優(yōu)勢(shì)，GPU在峰值性能和內(nèi)存接口帶寬上具有優(yōu)勢(shì)，但ASIC和GPU受制于功能的固化，應(yīng)用范圍較為狹窄。

相較于ASIC專用芯片和GPU，F(xiàn)PGA芯片擁有更高的靈活性和更豐富的選擇性，在5G 初期這種特性尤為重要。通過(guò)對(duì)FPGA編程，用戶可隨時(shí)改變芯片內(nèi)部的連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能。尤其是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟或發(fā)展更迭速度快的行業(yè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA能有效幫助企業(yè)降低投資風(fēng)險(xiǎn)及沉沒(méi)成本，是一種兼具功能性和經(jīng)濟(jì)效益的選擇。

此外，F(xiàn)PGA還可在不同的業(yè)務(wù)需求之間靈活調(diào)配，以放大經(jīng)濟(jì)效益，如白天用于搜索業(yè)務(wù)排序的處理器，晚上工作量較少的情況下，可將其中FPGA重新配置成離線數(shù)據(jù)分析的模塊，提供離線數(shù)據(jù)分析服務(wù)，提升設(shè)備利用率。

②并行性：CPU、GPU都屬于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有軟件編程的順序特性。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，執(zhí)行單元需按順序通過(guò)取指、譯碼、執(zhí)行、訪存以及寫(xiě)回等一系列流程完成數(shù)據(jù)處理，且多方共享內(nèi)存導(dǎo)致部分任務(wù)需經(jīng)訪問(wèn)仲裁，從而產(chǎn)生任務(wù)延時(shí)。而FPGA是典型的硬件邏輯，每個(gè)邏輯單元與周圍邏輯單元的連接構(gòu)造在重編程（燒寫(xiě)）時(shí)就已經(jīng)確定，寄存器和片上內(nèi)存屬于各自的控制邏輯，無(wú)需通過(guò)指令譯碼、共享內(nèi)存來(lái)通信，各硬件邏輯可同時(shí)并行工作，大幅提升數(shù)據(jù)處理效率。尤其是在執(zhí)行重復(fù)率較高的大數(shù)據(jù)量處理任務(wù)時(shí)，F(xiàn)PGA相比CPU等優(yōu)勢(shì)明顯。

③用量較小時(shí)的成本優(yōu)勢(shì)：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案幾乎沒(méi)有。對(duì)客戶而言，由于FPGA方案無(wú)需支付高額的流片成本，也不用承擔(dān)流片失敗風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于小批量多批次的專用控制設(shè)備，F(xiàn)PGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本優(yōu)勢(shì)。

綜上，F(xiàn)PGA不僅擁有軟件的可編程性和靈活性，還兼具硬件的并行性和低延時(shí)性，在上市周期、成本上也具有優(yōu)勢(shì)。因此，在5G通信、人工智能等具有較頻繁的迭代升級(jí)周期、較大的技術(shù)不確定性的領(lǐng)域，F(xiàn)PGA是較為理想的解決方案。

02FPGA市場(chǎng)現(xiàn)狀

近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心建設(shè)、人工智能和自動(dòng)駕駛等新興市場(chǎng)的加速發(fā)展，帶動(dòng)了FPGA需求持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)Market Research Future預(yù)測(cè)，F(xiàn)PGA 全球市場(chǎng)規(guī)模在 2025 年有望達(dá)到約 125.21 億美元。

資料源自Market Research Future

從下游應(yīng)用市場(chǎng)角度來(lái)看，F(xiàn)PGA芯片下游涉及通信、工業(yè)、軍工/航天、汽車和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，其中通信市場(chǎng)占比最高，且有望持續(xù)提升，而在以上領(lǐng)域中，汽車預(yù)計(jì)增速最快。

從上游提供商來(lái)看，F(xiàn)PGA行業(yè)集中度較高，根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，Xilinx、Intel、Lattice、Microchip 這4家美國(guó)公司共占據(jù)全球93%市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)FPGA廠商在2021年占據(jù)國(guó)內(nèi)16%市場(chǎng)份額，國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。

國(guó)內(nèi) FPGA 廠商以復(fù)旦微、紫光同創(chuàng)、安路科技等為代表。國(guó)內(nèi)廠商在技術(shù)水平、成本控制能力、軟件易用性等方面都與頭部 FPGA 廠商存在較大的差距，市場(chǎng)份額較小，在 FPGA 這一重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代具有緊迫性和必要性。以復(fù)旦微為例，復(fù)旦微目前已率先采用 28nm 工藝制程實(shí)現(xiàn)了億門(mén)級(jí) FPGA 芯片的量產(chǎn)出貨；但與賽靈思等國(guó)際領(lǐng)先廠商相比，仍然存在一定的差距。

03總結(jié)

綜上所述，無(wú)論是具有不斷迭代新增需求的民用市場(chǎng)，還是出于國(guó)家安全考量，只要是有極大自主可控需求的特種市場(chǎng)，F(xiàn)PGA都有較好的國(guó)產(chǎn)替代前景，國(guó)內(nèi)FPGA廠商成長(zhǎng)空間廣闊。

而隨著我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)在 FPGA 領(lǐng)域不斷加大研發(fā)投入和人才培養(yǎng)力度，未來(lái)國(guó)產(chǎn) FPGA 企業(yè)將有望縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，并在行業(yè)整體規(guī)模上升與進(jìn)口替代加速的雙輪驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)業(yè)績(jī)和規(guī)模的進(jìn)一步增長(zhǎng)。