FPGA国产替代未来可期

FPGA（FieldProgrammableGateArray）又称现场可编程门阵列，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路，用户在使用过程中可以通过软件重新配置芯片内部的资源实现不同功能。通俗意义上讲，FPGA芯片类似于集成电路中的积木，用户可根据各自的需求和想法，将其拼搭成不同的功能、特性的电路结构，以满足不同场景的应用需求。鉴于上述特性，FPGA芯片又被称作“万能”芯片。

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据安路科技招股书，FPGA芯片由可编程的逻辑单元（LogicCell，LC）、输入输出单元（InputOutputBlock，IO）和开关连线阵列（SwitchBox，SB）三个部分构成：

（1）逻辑单元：通过数据查找表（Look-upTable，LUT）中存放的二进制数据来实现不同的电路功能。LUT的本质是一种静态随机存取存储器（StaticRandomAccessMemory，SRAM），其大小是由输入端的信号数量决定的，常用的查找表电路是四输入查找表（4-inputLUT，LUT4）、五输入查找表（5-inputLUT，LUT5）和六输入查找表（6-inputLUT，LUT6）。查找表输入端越多，可以实现的逻辑电路越复杂，因此逻辑容量越大，但是查找表的面积和输入端数量成指数关系，输入端数量增加一个，查找表使用的SRAM存储电路面积增加约一倍。不同的逻辑单元结构可以使用不同大小的查找表，或者是不同查找表类型的组合。此外，逻辑单元内部还包含选择器、进位链和触发器等其他组件。为了提高芯片架构效率，若干逻辑单元可以进一步组成逻辑块（LogicBlock），逻辑块内部提供快速局部资源，从而形成层次化芯片架构。

（2）输入输出单元：是芯片与外界电路的接口部分，用于实现不同条件下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。

（3）开关阵列：能够通过内部MOS管的开关控制信号连线的走向。

FPGA从Xilinx公司1985年推出世界首款FPGA芯片“XC2064”经历过数十年发展，在硬件架构上大致经历了四个阶段：从PROM阶段（简单的数字逻辑）到PAL/GAL阶段（“与”&“或”阵列）再到CPLD/FPGA阶段（超大规模电路），到如今FPGA与ASIC技术融合、向系统级发展的SoCFPGA/eFPGA阶段。硬件水平整体趋向更大规模、更高灵活性、更优性能。

FPGA芯片属于逻辑芯片大类。逻辑芯片按功能可分为四大类芯片：通用处理器芯片（包含中央处理芯片CPU、图形处理芯片GPU，数字信号处理芯片DSP等）、存储器芯片（Memory）、专用集成电路芯片（ASIC）和现场可编程逻辑阵列芯片（FPGA）。

据复旦微招股书，FPGA兼具灵活性和并行性两大特点。

（1）灵活性：FPGA芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，通过对FPGA编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。

（2）并行性：CPU、GPU在执行任务时，执行单元需按顺序通过取指、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，且多方共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而FPGA每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程（烧写）时就已经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑，无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU等优势明显。

据润和软件，相较于其他逻辑芯片而言，FPGA在灵活性、性能、功耗、成本之间具有较好的平衡：

（1）相较于GPU，FPGA在功耗和灵活性等方面具备优势。一方面，由于GPU采用大量的处理单元并且大量访问片外存储SDRAM，其计算峰值更高，同时功耗也较高，FPGA的平均功耗（10W）远低于GPU的平均功耗（200W），可有效改善散热问题；另一方面，GPU在设计完成后无法改动硬件资源，而FPGA根据特定应用对硬件进行编程，更具灵活性。机器学习使用多条指令平行处理单一数据，FPGA的定制化能力更能满足精确度较低、分散、非常规深度神经网络计算需求。

（2）相较于ASIC芯片，FPGA在项目初期具备短周期、高性价比的优势。ASIC需从标准单元进行设计，当芯片的功能及性能需求发生变化时或者工艺进步时，ASIC需重新投片，由此带来较高的沉没成本以及较长的开发周期；而FPGA具有编程、除错、再编程和重复操作等优点，可实现芯片功能重新配置，因此早期FPGA常作为定制化ASIC领域的半定制电路出现，被业内认为是构建原型和开发设计的较快推进的路径之一。

FPGA芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。

各大应用领域占比整体保持稳定，数据中心更具增长动力。根据Xilinx财报，2019-2021年下游应用占比格局几乎未发生大规模变动，其中数据中心营收占比分别为7%、9%、10%，相较于其他领域而言具备更快的增长速度。2022年，国际龙头厂商AMD和Intel的FPGA业务在数据中心领域大放异彩，成为其业绩增长的有力助推。AMD对FPGA龙头Xilinx的收购大大推动其嵌入式部门和数据中心的业绩增长，两部门产品营收从2021年的39亿美元增长至2022年的106亿美元；IntelFPGA业务助推DCAI部门（DataCenterandAIGroup，数据中心和人工智能事业部）实现14%的营收增长。

FPGA在数据中心领域未来有望占据更多市场份额。英特尔中国研究院院长宋继强曾表示，2020年CPU+FPGA异构计算将占据云数据中心市场的1/3。据Semico研究公司预测，全球数据中心加速器（包括CPU、GPU、FPGA和ASIC）市场规模将从2018年的28.4亿美元增长到2023年的211.9亿美元，年复合增长率高达49%。其中FPGA加速器在2018年只有10亿美元，到2023年将超过50亿美元，其增长驱动力主要来自企业级数据负载加速应用。

FPGA芯片在数据中心领域主要用于硬件加速，在云服务器厂商中已有广泛部署。数据中心使用FPGA芯片代替传统的CPU方案后，处理其自定义算法时可实现显著的加速效果。因此近年来，微软Azure、亚马逊AWS、阿里云的服务器上都开始部署FPGA加速器用于运算加速。在云计算大面积应用的背景下，未来数据中心对芯片性能的要求将进一步提高，更多数据中心将采纳FPGA芯片方案，这将提高FPGA芯片在数据中心芯片中的价值占比。

全球范围内FPGA产业的兴起与发展可分为两个阶段。

（1）第一阶段是20世纪80年代开始的创业潮与行业垄断化。Lattice、Altera、Xilinx和Actel在1983~1985年陆续成立，并迅速成长为FPGA行业四大龙头；2010年后Xilinx和Altera已经占据80%以上的市场份额，剩余份额则大部分被Lattice和Actel瓜分。

（2）第二阶段是从2010年开始、以大型并购案为特点的行业洗牌。随着半导体行业对FPGA的重视加大，Microchip、Intel和AMD等半导体龙头纷纷下场收购与整合FPGA业务，尤其是Xilinx和Altera分别与母公司AMD和Intel形成CPU+FPGA的集合优势，战略部署数据中心应用。中国FPGA产业起步和发展较晚。复旦微电子自2004年开始进行FPGA研发，布局相对较早，安路科技和紫光同创也于2011和2013年相继成立。

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