什么是FPGA芯片 FPGA的基本結(jié)構(gòu)及市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

什么是FPGA芯片

集成電路芯片包括數(shù)字芯片和模擬芯片兩大類(lèi)，數(shù)字芯片可以分為存儲(chǔ)器芯片和邏輯芯片，我們熟知的邏輯芯片一般包括CPU、GPU、DSP等通用處理器芯片，以及專(zhuān)用集成電路芯片ASIC。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)ieldProgrammableGateArray）也是邏輯芯片的一種。

數(shù)字芯片的分類(lèi)

FPGA是在PAL(可編程邏輯陣列)、GAL(通用陣列邏輯)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，繪制出實(shí)現(xiàn)用戶(hù)要求的原理圖、編輯布爾方程或用硬件描述語(yǔ)言等方式作為設(shè)計(jì)輸入；然后經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換程序、自動(dòng)布局布線(xiàn)、模擬仿真的過(guò)程；最后生成FPGA的數(shù)據(jù)文件，對(duì)FPGA器件初始化。這樣就實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)足用戶(hù)要求的專(zhuān)用集成電路，真正達(dá)到了用戶(hù)自行設(shè)計(jì)、自行研制和自行生產(chǎn)集成電路的目的。

FPGA與CPU、GPU、ASIC等芯片的核心區(qū)別是：其底層邏輯運(yùn)算單元的連線(xiàn)和邏輯布局未固化。用戶(hù)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。而其他類(lèi)別邏輯芯片，像ASIC、CPU和GPU等，物理底層邏輯單元的運(yùn)算關(guān)系均已固定且不可變。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果CPU、GPU、ASIC等是像建好的樓房，樓房中房間、走廊及樓梯等格局是已經(jīng)固定了；而FPGA的內(nèi)部類(lèi)似霍格沃茲中的魔法樓梯，可以隨時(shí)改變房間到房間的路線(xiàn)關(guān)系。

FPGA由可編程邏輯塊（CLB）、輸入/輸出模塊（IOB）、可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM組成。CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元，它們通常規(guī)則排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片中。IOB主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，通常排列在芯片的四周。PIR提供了豐富的連線(xiàn)資源，包括縱橫網(wǎng)狀連線(xiàn)、可編程開(kāi)關(guān)矩陣和可編程連接點(diǎn)等，它們將各個(gè)CLB之間、CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來(lái)，構(gòu)成特定功能的電路。靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM用于存放內(nèi)部IOB、CLB和PIR的編程數(shù)據(jù)，并形成對(duì)IOB、CLB及PIR的控制，從而完成系統(tǒng)邏輯功能。

FPGA的基本結(jié)構(gòu)

由于FPGA需要被反復(fù)燒寫(xiě)，它實(shí)現(xiàn)的組合邏輯基本結(jié)構(gòu)無(wú)法通過(guò)固定的與非門(mén)來(lái)完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表（Look-Up-Table，簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)UT）可以很好地滿(mǎn)足這一要求。

LUT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RAM，當(dāng)用戶(hù)描述了一個(gè)邏輯電路后，軟件會(huì)計(jì)算所有可能的結(jié)果，并寫(xiě)入RAM。每一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，輸出結(jié)果。這樣也大大加快了FPGA的運(yùn)算速度。目前主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些FPGA采用Flash或反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。

01

概要

FPGA中文名是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是指一切通過(guò)軟件手段更改、配置期間內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。

FPGA屬于邏輯芯片，區(qū)別于其他邏輯芯片，F(xiàn)PGA最大的特點(diǎn)便是現(xiàn)場(chǎng)可編程性，這個(gè)特點(diǎn)，可以使FPGA通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)任意芯片的邏輯功能，例如ASIC、DSP甚至PC處理器等，這也是為什么FPGA被成為“萬(wàn)能芯片”的原因。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，邏輯芯片中，例如ASIC和DSP等于一張出廠時(shí)就寫(xiě)有數(shù)據(jù)且不可擦除的CD，用戶(hù)只需要放在CD播放器就可以聽(tīng)到音樂(lè)；而FPGA使一張出廠時(shí)空白的CD，需要用戶(hù)自己使用刻錄機(jī)燒寫(xiě)數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤(pán)里，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù)，反復(fù)刻錄。

02

? FPGA的特點(diǎn)

FPGA有三大特點(diǎn)，其中一個(gè)便是上面所講的可編程靈活性高，另外兩個(gè)特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期短和并行計(jì)算效率高。

（1）開(kāi)發(fā)周期短

在邏輯芯片里面，如ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線(xiàn)處理和流片等多個(gè)步驟；而FPGA無(wú)需布線(xiàn)、掩膜和定制流片等，芯片開(kāi)發(fā)大大簡(jiǎn)化。一般邏輯芯片，如ASIC、DSP、SOC等，開(kāi)發(fā)周期需要14-24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，而FPGA則只需要6-12個(gè)月，比其他芯片開(kāi)發(fā)周期減少55%的時(shí)間。

表：邏輯芯片開(kāi)發(fā)周期

正如全球FPGA第一大廠商Xilinx認(rèn)為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市6個(gè)月，5年內(nèi)將減少33%的利潤(rùn)，每晚四周等于損失14%的市場(chǎng)份額。

（2）并行計(jì)算效率高

FPGA屬于并行計(jì)算，也即一次可執(zhí)行多個(gè)指令算法。而傳統(tǒng)的ASIC、DSP、CPU都是串行計(jì)算，一次只能處理一個(gè)指令集。因此在部分特殊任務(wù)中，F(xiàn)PGA的并行計(jì)算效率比串行計(jì)算效率更高。

表：四類(lèi)主流芯片對(duì)比

03

應(yīng)用場(chǎng)景

FPGA由于具備可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短以及并行計(jì)算效率高的特點(diǎn)，使得FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景特別地廣泛。

FPGA可應(yīng)用于包括網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)電子、人工智能等領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)FPGA主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域，2020年通訊領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域占FPGA使用量的41.3%和31.5%。

圖：2020年中國(guó)FPGA下游應(yīng)用分布

根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，中國(guó)FPGA市場(chǎng)2020年的市場(chǎng)規(guī)模約150.3億元，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到332.2億元，復(fù)合增速為17.2%。

圖：2016-2025年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

（1）通訊領(lǐng)域

通訊領(lǐng)域是FPGA芯片的主要應(yīng)用市場(chǎng)之一，F(xiàn)rost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到62.1億元，占中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)份額的41.3%，2021年至2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)17.5%。

圖：中國(guó)FPGA通訊領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

FPGA芯片目前被大量應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)通信和有限通信設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展、邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、單芯片系統(tǒng)等各種功能。

在有線(xiàn)通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用于數(shù)據(jù)接入、傳送、路由器、交換機(jī)的多種電路板中，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制、傳輸加速等各種功能。

在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)通信基站和射頻處理單元的多種電路板中以實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的各種功能和未來(lái)升級(jí)需求，集成CPU的現(xiàn)場(chǎng)可編程系統(tǒng)級(jí)芯片產(chǎn)品被應(yīng)用在室外微基站、室內(nèi)微基站等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信中，以單芯片完成商業(yè)、住宅、工廠區(qū)域的多模覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量增加、人工智能計(jì)算等多樣性功能需求。

在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片得到大規(guī)模運(yùn)用主要是由于其具有高度的靈活性、極強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理和并行處理能力，大大加強(qiáng)了通信設(shè)備的處理能力。

（2）工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域是FPGA芯片的主要應(yīng)用市場(chǎng)之一，F(xiàn)rost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到47.4億元，占中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)份額的31.5%，2021年至2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)16.1%。

圖：中國(guó)FPGA工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：安路科技招股書(shū)

FPGA在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于視頻處理、圖像處理、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)控制和運(yùn)算加速功能。隨著智能化與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域也正逐漸從以人力資源微核心要素轉(zhuǎn)向以自動(dòng)化微核心要素的智能化無(wú)人工廠。

受益于工業(yè)智能化、無(wú)人化的發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)PGA芯片高效能、實(shí)時(shí)性、高靈活性的特點(diǎn)使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，以數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)為例，相較傳統(tǒng)的只能控制單一馬達(dá)的專(zhuān)用芯片，F(xiàn)PGA芯片可以做到多通道的馬達(dá)控制。

（3）數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是FPGA芯片的新興應(yīng)用市場(chǎng)之一，F(xiàn)rost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到16.1億元，占中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)份額的10.7%，2021年至2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)16.6%。

圖：中國(guó)FPGA數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：安路科技招股書(shū)

數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器和存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)中心的通用基礎(chǔ)設(shè)備，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的應(yīng)用情景，需要FPGA芯片實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能擴(kuò)展、系統(tǒng)升級(jí)等功能。

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)算處理領(lǐng)域，相比于CPU，F(xiàn)PGA芯片由于其無(wú)指令、無(wú)需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和足夠的靈活性；相比GPU，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)中心具有低延遲及高吞吐的優(yōu)勢(shì)；相比ASIC，F(xiàn)PGA芯片在性能、靈活性、同構(gòu)性、成本和功耗等五個(gè)方面可以達(dá)到出色的平衡。

FPGA芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，數(shù)據(jù)中心使用FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CPU方案后，處理其自定義算法時(shí)可實(shí)現(xiàn)顯著的加速效果。因此從2016年開(kāi)始，微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務(wù)器上都開(kāi)始部署FPGA加速器用于運(yùn)算加速。在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下，未來(lái)數(shù)據(jù)中心對(duì)芯片性能的要求將進(jìn)一步提高，更多數(shù)據(jù)中心將采納FPGA芯片方案，這將提高FPGA芯片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比。?

（4）汽車(chē)電子

汽車(chē)的智能化打開(kāi)了FPGA增量空間，F(xiàn)rost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到9.5億元，2021年至2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)22.7%。

圖：中國(guó)FPGA汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

在汽車(chē)智能化發(fā)展的趨勢(shì)下，F(xiàn)PGA可用于控制和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)，連接駕駛系統(tǒng)、儀表盤(pán)、雷達(dá)、超聲波傳感器等各種車(chē)載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等信號(hào)處理和控制。

在視頻橋接和融合領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖像傳感器的信號(hào)橋接、3D環(huán)視視頻融合、倒車(chē)輔助視頻、輔助駕駛視頻等功能。

在輔助駕駛和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)與目標(biāo)檢測(cè)等各種功能。相比較其他通用芯片方案，F(xiàn)PGA在輔助駕駛的視頻分析功能中可采用超低延時(shí)精確算法對(duì)來(lái)自車(chē)輛攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻輸入信號(hào)進(jìn)行分析，及時(shí)做出判斷，并且FOGA可以在不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的前提下實(shí)現(xiàn)重新編程，以適應(yīng)不斷發(fā)展的算法，從而縮短整體方案的開(kāi)發(fā)周期。

（5）人工智能

Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到5.8億元，2021年至2025年年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)16.9%。

圖：中國(guó)FPGA人工智能市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：安路科技招股書(shū)

人工智能算法芯片實(shí)現(xiàn)分為云側(cè)處理和端側(cè)處理。在云側(cè)處理時(shí)，和GPU及ASIC芯片相比，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)在并行處理單元達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，可以做到真正并行運(yùn)算，其可編程性又可實(shí)現(xiàn)靈活搭建數(shù)據(jù)處理流水線(xiàn)，因此運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)延遲低，較為適合人工智能的實(shí)時(shí)決策需求。

在端側(cè)處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片可實(shí)現(xiàn)快速推斷決策，另外其具有的現(xiàn)場(chǎng)可編程、可實(shí)現(xiàn)定制功能、高吞吐量和低延遲等特點(diǎn)有效地滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的要求，成為適配各種經(jīng)過(guò)壓縮優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署和升級(jí)的理想選擇。

04

國(guó)外巨頭主導(dǎo)國(guó)內(nèi)FPGA市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商逐步替代中低端市場(chǎng)

FPGA芯片國(guó)外起步較早，技術(shù)積累深厚，高度壟斷市場(chǎng)。根據(jù)Frost&Sullivan的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以出貨量為口徑，2019年中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)有超80%的份額被外商占據(jù)，前三名供應(yīng)商為賽靈思、英特爾和萊蒂斯，出貨量占比36.6%、25.3%和23.2%，國(guó)產(chǎn)廠商安路科技排在第四位，占比僅6%。若以銷(xiāo)售額口徑統(tǒng)計(jì)，市場(chǎng)呈現(xiàn)雙寡頭形式，2019年賽靈思和英特爾兩家的合計(jì)占有率達(dá)91.1%，安路科技排名第四，占比0.9%，在國(guó)產(chǎn)廠商中排名第一。

圖：2019年中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局（顆粒）

圖：2019年中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局（銷(xiāo)售額）

目前國(guó)內(nèi)有安路科技、紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微電、高云半導(dǎo)體、京微齊力等廠商進(jìn)入FPGA行業(yè)，近年來(lái)由于美國(guó)對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體的限制日益趨嚴(yán)，F(xiàn)PGA國(guó)產(chǎn)替代迫切需求疊加國(guó)產(chǎn)FPGA廠商產(chǎn)品快速迭代和品類(lèi)擴(kuò)張，目前面向500K以下容量和非先進(jìn)制程市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商已逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

100K以下和100K-500K邏輯容量的FPGA需求量大，是國(guó)內(nèi)FPGA龍頭廠商國(guó)產(chǎn)替代的主要市場(chǎng)。根據(jù)Frost&Sullivan的數(shù)據(jù)，2019年100K以下邏輯容量的FPGA芯片中國(guó)市場(chǎng)份額為38.2%，100K-500K邏輯容量的FPGA芯片市場(chǎng)份額為31.7%，500K-1KK和>1KK分別占比24.4%和5.7%。從邏輯容量來(lái)看，100K以下和100K-500K邏輯容量的FPGA芯片是中國(guó)市場(chǎng)需求量最大的部分，國(guó)內(nèi)廠商安路科技和紫光同創(chuàng)目前均已覆蓋，是FPGA國(guó)產(chǎn)替代的主要市場(chǎng)。

圖：2019年中國(guó)各邏輯容量FPGA市場(chǎng)份額情況

28nm以上制程占大部分市場(chǎng)份額，是FPGA國(guó)產(chǎn)替代的重要方向。從工藝制程來(lái)看，由于28nm-90nm制程FPGA在性?xún)r(jià)比和良品率方面具有優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了主要的市場(chǎng)地位。根據(jù)Frost&Sullivan的數(shù)據(jù)，2019年28nm-90nm制程的FPGA占中國(guó)市場(chǎng)份額為63.3%，28nm以下制程的FPGA芯片占據(jù)20.9%的市場(chǎng)份額，>90nm制程的FPGA占比15.8%。由于中國(guó)在先進(jìn)制程制造方面受到限制，28nm以上制程也是FPGA國(guó)產(chǎn)替代的重要方向。

圖：2019年中國(guó)各工業(yè)制程FPGA市場(chǎng)份額情況

05

總結(jié)

FPGA又被成為“萬(wàn)能芯片“，可以應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)中，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，中國(guó)FPGA市場(chǎng)2020年的市場(chǎng)規(guī)模約150.3億元，預(yù)計(jì)2025年中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到332.2億元，復(fù)合增速為17.2%。

目前國(guó)內(nèi)FPGA市場(chǎng)仍被國(guó)外巨頭壟斷，但在500K以下容量和非先進(jìn)制程占主要市場(chǎng)份額的中國(guó)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)廠商的產(chǎn)品已逐步覆蓋到這些領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商獲得了較好的發(fā)展機(jī)遇。

編輯：黃飛

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