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(jìn)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(guān)陣列編程,，進(jìn)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(lǐng)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(jìn)行配置,。所以 FPGA 芯片公司不僅僅是集成電路設(shè)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(jìn)以及汽車智能化的不斷演進(jìn),，近年來FPGA芯片市場需求強(qiáng)勁,。

海內(nèi)外FPGA市場競爭格局

全球FPGA 市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，中國市場增速更是快于全球

FPGA下游應(yīng)用市場廣泛,，隨著5G技術(shù)的提升,、AI的推進(jìn)以及汽車自動化趨勢的演進(jìn)，全球FPGA市場規(guī)模將穩(wěn)步增長,。Frost＆Sullivan,，預(yù)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(fù)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(jìn)程的進(jìn)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(fù)合增長率答 23．1％,。據(jù)預(yù)測,，至 2025 年中國 FPGA 市場規(guī)模將進(jìn)一步提升至 332．2 億元，2021－2025 年的復(fù)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(shù)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(shù)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(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(guān)技術(shù)人員匱乏,，主要面向低密度市場擴(kuò)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(dá)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(jié)果。從技術(shù)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(shè)計能力已有較大提升,，如復(fù)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(yù)研,。隨著國內(nèi)企業(yè)的進(jìn)一步研發(fā),，有望逐步縮小與國際先進(jìn)水平的差距，在國產(chǎn)化趨勢下擴(kuò)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(jié)構(gòu)，實現(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,。越來越多的設(shè)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(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€角落,。

隨著應(yīng)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(kuò)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(yán)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(fēng)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(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(shù)

System on Chip（SoC）技術(shù)在芯片設(shè)計領(lǐng)域被越來越廣泛地采用,，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庫的設(shè)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(shè)計方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計需要,。隨著專業(yè)的IP庫設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計的正確性。

（3） FPGA的動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)

FPGA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對于特定結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(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,，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(wù)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(wù)器、電費,、帶寬,、場地人員、成本）相對高昂,，用戶體驗也相對較差,。基于 FPGA＋CPU 異構(gòu)計算的解決方案,，通過高性能 FPGA 分擔(dān) CPU 處理任務(wù),，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(yīng)用在信息高度敏感的領(lǐng)域，使用自主設(shè)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(shè)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(guān)鍵功能,。

在高性能計算和高吞吐量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)來降低FPGA的功耗,，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<