FPGA 中文全稱為現(xiàn)場可編程門陣列（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）的對比，優(yōu)勢何在？

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，用戶無法對其硬件功能進行任何修改，而FPGA芯片的底層邏輯運算單元的連線及邏輯布局未固化，用戶可通過 EDA 軟件對邏輯單元和開關陣列編程，進行功能配置，從而去實現(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)更迭的運算領域，例如人工智能算法優(yōu)化。同時，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 軟件來對芯片進行配置。所以 FPGA 芯片公司不僅僅是集成電路設計企業(yè)，還必須是集成電路 EDA 軟件企業(yè)。

由于5G滲透率提升、AI智能推進以及汽車智能化的不斷演進，近年來FPGA芯片市場需求強勁。

海內(nèi)外FPGA市場競爭格局

全球FPGA 市場規(guī)模不斷擴大，中國市場增速更是快于全球

FPGA下游應用市場廣泛，隨著5G技術的提升、AI的推進以及汽車自動化趨勢的演進，全球FPGA市場規(guī)模將穩(wěn)步增長。Frost＆Sullivan，預計全球 FPGA需求將從2021年 68．6 億美元增長為2025年125．8億美元，年均復合增長率約為 16．4％。

全球 FPGA 市場規(guī)模

中國市場增速更是快于全球。隨著國產(chǎn)替代進程的進一步加速，近年來，中國 FPGA 芯片市場規(guī)模持續(xù)上升，從2016 年的 65．5 億元增長至 2020 年的 150．3 億元，年復合增長率答 23．1％。據(jù)預測，至 2025 年中國 FPGA 市場規(guī)模將進一步提升至 332．2 億元，2021－2025 年的復合增長率為 17．1％，高于全球 FPGA 市場的 10．85％。

中國 FPGA 市場規(guī)模

FPGA 芯片國外起步較早，技術積累深厚，高度壟斷市場。

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

2019 年全球 FPGA 市場競爭格局

國內(nèi) FPGA 市場起步較晚，技術層面仍存在較大差距

目前Xilinx、Intel、Lattice三家供應商占據(jù)中國約80％FPGA市場份額。盡管國外廠商占比仍然較高，在國產(chǎn)化趨勢下，但國內(nèi)廠商有所突破，中國FPGA市場的成長將助力國內(nèi)企業(yè)占據(jù)市場份額。

國內(nèi)FPGA市場起步較晚，相關技術人員匱乏，主要面向低密度市場擴展自身份額，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代。雖然國內(nèi)FPGA廠商有百家爭鳴之勢，但基本分布在中低端市場，大多是一些1000萬門級左右的FPGA，少數(shù)達到2000萬門級的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)收購的結果。從技術水平上看，國內(nèi)廠商與國際龍頭仍存在較大差距。

但隨著國內(nèi)企業(yè)加大研發(fā)布局，其設計能力已有較大提升，如復旦微 28nm 制程億門級 FPGA 芯片已實現(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)品已開展預研。隨著國內(nèi)企業(yè)的進一步研發(fā)，有望逐步縮小與國際先進水平的差距，在國產(chǎn)化趨勢下擴大國內(nèi)市場份額。

FPGA 芯片最大的特點是可編程性，可通過改變芯片內(nèi)部連接結構，實現(xiàn)任何邏輯功能。其應用領域最初為通信領域，但目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術的發(fā)展，可編程邏輯嵌入式系統(tǒng)設計技術已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術之一，應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)等多個熱門領域。并隨著工藝的進步和技術的發(fā)展，向更多、更廣泛的應用領域擴展。越來越多的設計也開始以ASIC轉(zhuǎn)向FPGA，F(xiàn)PGA正以各種電子產(chǎn)品的形式進入我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€角落。

隨著應用場景對FPGA的需求持續(xù)提升，再加上5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動中國FPGA市場擴張，刺激增量需求釋放，從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，F(xiàn)PGA潛力被嚴重低估，未來大有可為。

對于人工智能而言，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開發(fā)風險極大，需要有足夠大的市場來保證成本價格，而且從研發(fā)到市場的周期很長，不適合例如深度學習、CNN等算法正在快速迭代的領域。FPGA正好能適用于人工智能領域，滿足高速并行計算的需求，基于全球人工智能市場大熱，這也刺激了FPGA的市場，有利于FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

FPGA的未來發(fā)展有五個方向。

（1） 基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SOPC）技術

System on Chip（SoC）技術在芯片設計領域被越來越廣泛地采用，而SOPC技術是Soc技術在可編程器件領域的應用。這種技術的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構建處理器。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庫的設計方法

未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設計方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設計需要。隨著專業(yè)的IP庫設計公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來廣泛。作為FPGA的設計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設計。由于商業(yè)的IP庫都是通過驗證的，因此整個項目的仿真和驗證工作主要就是驗證IP庫的接口邏輯設計的正確性。

（3） FPGA的動態(tài)可重構技術

FPGA動態(tài)重構技術主要是指對于特定結構的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動下，對芯片的全部或部分邏輯資源實現(xiàn)高速的功能變換，從而實現(xiàn)硬件的時分復用，節(jié)，省邏輯資源。

由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實現(xiàn)的功能也越來越復雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時間也變長了，降低了系統(tǒng)的實時性。局部邏輯的配置功能可以實現(xiàn)“按需動態(tài)重構”，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，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。眾多應用迫切需要高性能，高性價比的圖片處理解決方案。在這種情況下，數(shù)據(jù)中心面臨著一個核心的考驗 —— 即用戶體驗與服務成本之間的平衡。總地來說，目前存在的純CPU處理方案，TCO（服務器、電費、帶寬、場地人員、成本）相對高昂，用戶體驗也相對較差?；?FPGA＋CPU 異構計算的解決方案，通過高性能 FPGA 分擔 CPU 處理任務，提升吞吐性能，降低延遲，實現(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，應用在信息高度敏感的領域，使用自主設計的芯片更能實現(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計，比如AD／DA和DSP的粘合邏輯?，F(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關鍵功能。

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

隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應用的瓶頸。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來降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

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