工程師最關注的FPGA芯片三大選型指標
FPGA芯片靈活性高、應用開發(fā)成本低、上市時間短等優(yōu)勢使其應用場景覆蓋了包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場。
FPGA 名為現(xiàn)場可編程門陣列，是一種硬件可重構(gòu)的集成電路芯片，現(xiàn)場可編程性是FPGA的最大特點。
FPGA 由可編程的邏輯單元(Logic Cell)、和外部進行信號交互的輸入輸出單元(Input Output Block)與連接前兩種元素的開關連線陣列(Switch Box)共三個部分構(gòu)成。從產(chǎn)品發(fā)展角度，先進工藝(制程)、先進封裝可以提升FPGA容量，而同工藝下優(yōu)化基礎單元LC的設計及其他系統(tǒng)設計可以提升FPGA的性能，同時軟件的持續(xù)優(yōu)化、豐富的軟核IP庫也是不同廠商競爭力高低的體現(xiàn)。
FPGA 的類型從內(nèi)部實現(xiàn)機理來講，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)來講，F(xiàn)PGA 可編程是指三個方面的可編程：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.
FPGA 的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
(FPGA結(jié)構(gòu)圖)
隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級迭代、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)級增長，集成電路下游應用場景不斷豐富。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法滿足數(shù)據(jù)增長對計算性能需求的增長速度。因此在芯片材料等基礎技術(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芯片由于其獨特的架構(gòu)擁有其他協(xié)處理器無法比擬的優(yōu)勢：
①靈活性：在數(shù)據(jù)密集型任務的執(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，GPU在峰值性能和內(nèi)存接口帶寬上具有優(yōu)勢，但ASIC和GPU受制于功能的固化，應用范圍較為狹窄。
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。通過對FPGA編程，用戶可隨時改變芯片內(nèi)部的連接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)任何邏輯功能。尤其是在技術(shù)標準尚未成熟或發(fā)展更迭速度快的行業(yè)領域，F(xiàn)PGA能有效幫助企業(yè)降低投資風險及沉沒成本，是一種兼具功能性和經(jīng)濟效益的選擇。
此外，F(xiàn)PGA還可在不同的業(yè)務需求之間靈活調(diào)配，以放大經(jīng)濟效益，如白天用于搜索業(yè)務排序的處理器，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，提升設備利用率。
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)行任務時，執(zhí)行單元需按順序通過取指、譯碼、執(zhí)行、訪存以及寫回等一系列流程完成數(shù)據(jù)處理，且多方共享內(nèi)存導致部分任務需經(jīng)訪問仲裁，從而產(chǎn)生任務延時。而FPGA是典型的硬件邏輯，每個邏輯單元與周圍邏輯單元的連接構(gòu)造在重編程（燒寫）時就已經(jīng)確定，寄存器和片上內(nèi)存屬于各自的控制邏輯，無需通過指令譯碼、共享內(nèi)存來通信，各硬件邏輯可同時并行工作，大幅提升數(shù)據(jù)處理效率。尤其是在執(zhí)行重復率較高的大數(shù)據(jù)量處理任務時，F(xiàn)PGA相比CPU等優(yōu)勢明顯。
③用量較小時的成本優(yōu)勢：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案幾乎沒有。對客戶而言，由于FPGA方案無需支付高額的流片成本，也不用承擔流片失敗風險，對于小批量多批次的專用控制設備，F(xiàn)PGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本優(yōu)勢。
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性，在上市周期、成本上也具有優(yōu)勢。因此，在5G通信、人工智能等具有較頻繁的迭代升級周期、較大的技術(shù)不確定性的領域，F(xiàn)PGA是較為理想的解決方案。
近年來，數(shù)據(jù)中心建設、人工智能和自動駕駛等新興市場的加速發(fā)展，帶動了FPGA需求持續(xù)增長。根據(jù)Market Research Future預測，F(xiàn)PGA 全球市場規(guī)模在 2025 年有望達到約 125.21 億美元。
資料源自Market Research Future
從下游應用市場角度來看，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)中心等領域，其中通信市場占比最高，且有望持續(xù)提升，而在以上領域中，汽車預計增速最快。
從上游提供商來看，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家美國公司共占據(jù)全球93%市場份額，國內(nèi)FPGA廠商在2021年占據(jù)國內(nèi)16%市場份額，國產(chǎn)替代空間廣闊。
國內(nèi) FPGA 廠商以復旦微、紫光同創(chuàng)、安路科技等為代表。國內(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，市場份額較小，在 FPGA 這一重要領域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)替代具有緊迫性和必要性。以復旦微為例，復旦微目前已率先采用 28nm 工藝制程實現(xiàn)了億門級 FPGA 芯片的量產(chǎn)出貨；但與賽靈思等國際領先廠商相比，仍然存在一定的差距。
綜上所述，無論是具有不斷迭代新增需求的民用市場，還是出于國家安全考量，只要是有極大自主可控需求的特種市場，F(xiàn)PGA都有較好的國產(chǎn)替代前景，國內(nèi)FPGA廠商成長空間廣闊。
而隨著我國集成電路設計產(chǎn)業(yè)在 FPGA 領域不斷加大研發(fā)投入和人才培養(yǎng)力度，未來國產(chǎn) FPGA 企業(yè)將有望縮小與國際先進水平的差距，并在行業(yè)整體規(guī)模上升與進口替代加速的雙輪驅(qū)動下，實現(xiàn)業(yè)績和規(guī)模的進一步增長。
