FPGA 中文全稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array），是邏輯芯片的一種，邏輯芯片還包括 CPU、GPU、DSP 等通用處理器芯片，以及專用集成電路芯片 ASIC。

與主流芯片（CPU、GPU、ASCI）的對(duì)比，優(yōu)勢(shì)何在？

FPGA 和 CPU、GPU、ASIC 的等核心區(qū)別在于，其他類別邏輯芯片，像 ASIC、CPU 和 GPU 等，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用戶無(wú)法對(duì)其硬件功能進(jìn)行任何修改，而FPGA芯片的底層邏輯運(yùn)算單元的連線及邏輯布局未固化，用戶可通過(guò) EDA 軟件對(duì)邏輯單元和開(kāi)關(guān)陣列編程，進(jìn)行功能配置，從而去實(shí)現(xiàn)特定功能的集成電路芯片，因此也適用于底層算法需要持續(xù)更迭的運(yùn)算領(lǐng)域，例如人工智能算法優(yōu)化。同時(shí)，這也意味著

FPGA 芯片公司不僅需要提供芯片，還需要提供 FPGA 專用 EDA 軟件來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行配置。所以 FPGA 芯片公司不僅僅是集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，還必須是集成電路 EDA 軟件企業(yè)。

由于5G滲透率提升、AI智能推進(jìn)以及汽車智能化的不斷演進(jìn)，近年來(lái)FPGA芯片市場(chǎng)需求強(qiáng)勁。

海內(nèi)外FPGA市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

全球FPGA 市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，中國(guó)市場(chǎng)增速更是快于全球

FPGA下游應(yīng)用市場(chǎng)廣泛，隨著5G技術(shù)的提升、AI的推進(jìn)以及汽車自動(dòng)化趨勢(shì)的演進(jìn)，全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模將穩(wěn)步增長(zhǎng)。Frost＆Sullivan，預(yù)計(jì)全球 FPGA需求將從2021年 68．6 億美元增長(zhǎng)為2025年125．8億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為 16．4％。

全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模

中國(guó)市場(chǎng)增速更是快于全球。隨著國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的進(jìn)一步加速，近年來(lái)，中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)上升，從2016 年的 65．5 億元增長(zhǎng)至 2020 年的 150．3 億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率答 23．1％。據(jù)預(yù)測(cè)，至 2025 年中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步提升至 332．2 億元，2021－2025 年的復(fù)合增長(zhǎng)率為 17．1％，高于全球 FPGA 市場(chǎng)的 10．85％。

中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模

FPGA 芯片國(guó)外起步較早，技術(shù)積累深厚，高度壟斷市場(chǎng)。

在全球FPGA 市場(chǎng)中，主要被Xilinx（已被AMD收購(gòu)）和Intel兩家海外企業(yè)雙寡頭壟斷，在2019年，兩家合計(jì)占據(jù)了全球市場(chǎng)份額的85％以上。由于技術(shù)壁壘高、更新?lián)Q代速度快，全球 FPGA 市場(chǎng)高度集中，國(guó)內(nèi)廠商占比較低。

2019 年全球 FPGA 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

國(guó)內(nèi) FPGA 市場(chǎng)起步較晚，技術(shù)層面仍存在較大差距

目前Xilinx、Intel、Lattice三家供應(yīng)商占據(jù)中國(guó)約80％FPGA市場(chǎng)份額。盡管國(guó)外廠商占比仍然較高，在國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)下，但國(guó)內(nèi)廠商有所突破，中國(guó)FPGA市場(chǎng)的成長(zhǎng)將助力國(guó)內(nèi)企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)份額。

國(guó)內(nèi)FPGA市場(chǎng)起步較晚，相關(guān)技術(shù)人員匱乏，主要面向低密度市場(chǎng)擴(kuò)展自身份額，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。雖然國(guó)內(nèi)FPGA廠商有百家爭(zhēng)鳴之勢(shì)，但基本分布在中低端市場(chǎng)，大多是一些1000萬(wàn)門級(jí)左右的FPGA，少數(shù)達(dá)到2000萬(wàn)門級(jí)的FPGA雖然也有自主研發(fā)的，有一些是逆向工程的產(chǎn)物，或商業(yè)收購(gòu)的結(jié)果。從技術(shù)水平上看，國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)際龍頭仍存在較大差距。

但隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)加大研發(fā)布局，其設(shè)計(jì)能力已有較大提升，如復(fù)旦微 28nm 制程億門級(jí) FPGA 芯片已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨；安路科技 28nm產(chǎn)品已正式量產(chǎn)，F(xiàn)inFET 工藝產(chǎn)品已開(kāi)展預(yù)研。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)的進(jìn)一步研發(fā)，有望逐步縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，在國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)下擴(kuò)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額。

FPGA 芯片最大的特點(diǎn)是可編程性，可通過(guò)改變芯片內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能。其應(yīng)用領(lǐng)域最初為通信領(lǐng)域，但目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍遍及人工智能、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療、通訊、5G、安防、汽車電子、工業(yè)等多個(gè)熱門領(lǐng)域。并隨著工藝的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，向更多、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。越來(lái)越多的設(shè)計(jì)也開(kāi)始以ASIC轉(zhuǎn)向FPGA，F(xiàn)PGA正以各種電子產(chǎn)品的形式進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落。

隨著應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)FPGA的需求持續(xù)提升，再加上5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動(dòng)中國(guó)FPGA市場(chǎng)擴(kuò)張，刺激增量需求釋放，從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，F(xiàn)PGA潛力被嚴(yán)重低估，未來(lái)大有可為。

對(duì)于人工智能而言，算法正處于快速迭代中。雖然ASIC芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低；但是AISC開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)極大，需要有足夠大的市場(chǎng)來(lái)保證成本價(jià)格，而且從研發(fā)到市場(chǎng)的周期很長(zhǎng)，不適合例如深度學(xué)習(xí)、CNN等算法正在快速迭代的領(lǐng)域。FPGA正好能適用于人工智能領(lǐng)域，滿足高速并行計(jì)算的需求，基于全球人工智能市場(chǎng)大熱，這也刺激了FPGA的市場(chǎng)，有利于FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

FPGA的未來(lái)發(fā)展有五個(gè)方向。

（1） 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SOPC）技術(shù)

System on Chip（SoC）技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛地采用，而SOPC技術(shù)是Soc技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而英特爾提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。

（2） 基于IP庫(kù)的設(shè)計(jì)方法

未來(lái)的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計(jì)方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計(jì)需要。隨著專業(yè)的IP庫(kù)設(shè)計(jì)公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫(kù)種類會(huì)越來(lái)越全面，支持的FPGA器件也會(huì)越來(lái)廣泛。作為FPGA的設(shè)計(jì)者，主要的工作是找到適合項(xiàng)目需要的IP庫(kù)資源，然后將這些IP整合起來(lái)，完成頂層模塊設(shè)計(jì)。由于商業(yè)的IP庫(kù)都是通過(guò)驗(yàn)證的，因此整個(gè)項(xiàng)目的仿真和驗(yàn)證工作主要就是驗(yàn)證IP庫(kù)的接口邏輯設(shè)計(jì)的正確性。

（3） FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)

FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)芯片的全部或部分邏輯資源實(shí)現(xiàn)高速的功能變換，從而實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，節(jié)，省邏輯資源。

由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時(shí)間也變長(zhǎng)了，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。局部邏輯的配置功能可以實(shí)現(xiàn)“按需動(dòng)態(tài)重構(gòu)”，大大提高了配置的效率。

（4） CPU＋FPGA用于云數(shù)據(jù)中心

目前，圖片處理的需求正在快速成長(zhǎng)，即源于用戶生成內(nèi)容、視頻圖片抓取等方式的圖片縮略圖生成，像素處理，圖片轉(zhuǎn)碼、智能分析處理需求不斷增加。眾多應(yīng)用迫切需要高性能，高性價(jià)比的圖片處理解決方案。在這種情況下，數(shù)據(jù)中心面臨著一個(gè)核心的考驗(yàn) —— 即用戶體驗(yàn)與服務(wù)成本之間的平衡?？偟貋?lái)說(shuō)，目前存在的純CPU處理方案，TCO（服務(wù)器、電費(fèi)、帶寬、場(chǎng)地人員、成本）相對(duì)高昂，用戶體驗(yàn)也相對(duì)較差。基于 FPGA＋CPU 異構(gòu)計(jì)算的解決方案，通過(guò)高性能 FPGA 分擔(dān) CPU 處理任務(wù)，提升吞吐性能，降低延遲，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約與能效比的提升。將CPU＋FPGA用于云數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用在信息高度敏感的領(lǐng)域，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控。

（5） FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展

隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設(shè)計(jì)，比如AD／DA和DSP的粘合邏輯。現(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。

在高性能計(jì)算和高吞吐量1／0應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實(shí)現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計(jì)能力的重要指標(biāo)。

隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術(shù)來(lái)降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

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