FPGA芯片行業(yè)發(fā)展概況

• 邱晨陽(yáng) 2023年3月6日 來源：中研網(wǎng) 711 42
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FPGA芯片因?yàn)槠洮F(xiàn)場(chǎng)可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應(yīng)用領(lǐng)域非常豐富，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需求增長(zhǎng)明確，發(fā)展空間廣闊。

1)FPGA芯片概況

FPGA芯片屬于邏輯芯片大類。邏輯芯片按功能可分為四大類芯片：通用處理器芯片(包含中央處理芯片CPU、圖形處理芯片GPU，數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP等)、存儲(chǔ)器芯片(Memory)、專用集成電路芯片(ASIC)和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列芯片(FPGA)。與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片的最大特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)可編程性。無論是CPU、GPU、DSP、Memory還是各類ASIC芯片，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(duì)其硬件功能進(jìn)行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，將自己設(shè)計(jì)的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件對(duì)FPGA芯片進(jìn)行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆FPGA芯片均可以進(jìn)行多次不同功能配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。因此，就FPGA芯片公司而言，不僅需要提供芯片，還需要提供FPGA專用EDA軟件來對(duì)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(jì)企業(yè)，還必須是集成電路EDA軟件企業(yè)。與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)品于20世紀(jì)80年代中期面世，發(fā)展歷史相對(duì)較短。早期的FPGA芯片由于設(shè)計(jì)、制造難度較大、價(jià)格昂貴且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于專用集成電路，因此應(yīng)用比較有限，一般被集成電路設(shè)計(jì)公司或者研究機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)品原型的驗(yàn)證。隨著FPGA技術(shù)本身的飛速發(fā)展，以及半導(dǎo)體制造工藝的不斷演進(jìn)，當(dāng)前FPGA的價(jià)格和性能已經(jīng)能夠和專用集成電路競(jìng)爭(zhēng)，又由于其可反復(fù)改寫的靈活性，全球FPGA產(chǎn)業(yè)在2000年以后有了大幅度的成長(zhǎng)。2022年，全球FPGA的年銷售額已超過65億美元。預(yù)計(jì)到2025年，全球FPGA市場(chǎng)將超過120億美元。

2)FPGA芯片的主要應(yīng)用場(chǎng)景

FPGA芯片是通過現(xiàn)場(chǎng)編程實(shí)現(xiàn)任意電路功能的通用集成電路芯片，芯片出廠時(shí)沒有特定的功能，通過FPGA專用EDA軟件現(xiàn)場(chǎng)對(duì)硬件進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)具體用戶需要的功能。FPGA芯片因?yàn)槠洮F(xiàn)場(chǎng)可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應(yīng)用領(lǐng)域非常豐富，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需求增長(zhǎng)明確，發(fā)展空間廣闊。

(2)FPGA芯片市場(chǎng)概況

FPGA芯片具有靈活性高、應(yīng)用開發(fā)成本低、上市時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋了包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場(chǎng)，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，從2016年的約43.4億美元增長(zhǎng)至2020年約60.8億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為8.8%。未來，隨著全球新一代通信設(shè)備部署以及人工智能與自動(dòng)駕駛技術(shù)等新興市場(chǎng)領(lǐng)域需求的不斷增長(zhǎng)，F(xiàn)PGA市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將持續(xù)提高。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長(zhǎng)至2025年的125.8億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為16.4%。

近幾年中國(guó)FPGA市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大增長(zhǎng)，中國(guó)FPGA市場(chǎng)從2016年的約65.5億元增長(zhǎng)至2022年的約170.3億元。隨著國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的進(jìn)一步加速，中國(guó)FPGA市場(chǎng)需求量有望持續(xù)擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約332.2億元。

工業(yè)領(lǐng)域是FPGA芯片的主要應(yīng)用市場(chǎng)之一，2022年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國(guó)市場(chǎng)銷售額將達(dá)到53.4億元，占中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)份額的31.5%，2023年至2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到16.1%。FPGA芯片在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，大量應(yīng)用在視頻處理、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為核心要素轉(zhuǎn)向以自動(dòng)化為核心要素的智能化無人工廠。受益于工業(yè)智能化、無人化的發(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)的專用芯片，F(xiàn)PGA芯片可以做到多通道的馬達(dá)控制。

目前驅(qū)動(dòng)馬達(dá)所消耗的電力占據(jù)了全球能源消耗的很大部分，在節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)下，未來各類能夠精準(zhǔn)控制馬達(dá)并可以在單一芯片上實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)馬達(dá)的FPGA芯片將在工業(yè)控制領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。此外，F(xiàn)PGA芯片的優(yōu)勢(shì)也使其在LED顯示屏領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED顯示屏控制系統(tǒng)是一個(gè)融合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、通信技術(shù)的綜合系統(tǒng)。當(dāng)前主流的LED顯示屏控制系統(tǒng)多以FPGA芯片或FPGA芯片結(jié)合其他芯片做為主控芯片。FPGA芯片的現(xiàn)場(chǎng)可編程特性可滿足大型LED顯示屏系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的需求，以滿足各種形狀和規(guī)格顯示屏的定制，也可滿足其需要進(jìn)行亮度、對(duì)比度、灰度級(jí)等參數(shù)靈活調(diào)節(jié)的需求，使LED顯示屏得到更加細(xì)膩的顯示畫面。最后，集成嵌入式CPU的現(xiàn)場(chǎng)可編程系統(tǒng)級(jí)芯片將軟件編程控制、硬件編程控制、硬件并行運(yùn)算的功能整合到單芯片中，具有很大的靈活性和高度的集成性，已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，為單芯片解決工業(yè)應(yīng)用中多種需求提供了更好的系統(tǒng)方案，可以完成智能制造、智慧醫(yī)療、安防監(jiān)控、電力控制、軌交控制等應(yīng)用中從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制和計(jì)算功能。

FPGA芯片目前被大量應(yīng)用在無線通信和有線通信設(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。在無線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用在無線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)微基站等無線網(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。在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)算，這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片內(nèi)在的分布式邏輯和運(yùn)算單元結(jié)構(gòu)使其可以較容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，因此可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作，使其可以實(shí)現(xiàn)通信過程中大量的高速數(shù)字信號(hào)處理功能。相較于其他類型芯片，F(xiàn)PGA芯片一方面依靠其運(yùn)算速度可以有效滿足通信領(lǐng)域高速的通信協(xié)議處理需求，另一方面又可依靠其靈活性以適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代的特點(diǎn)。此外，F(xiàn)PGA芯片對(duì)于復(fù)雜信號(hào)、多維信號(hào)的處理能力較強(qiáng)，可較好適應(yīng)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境?；谝陨咸攸c(diǎn)，F(xiàn)PGA芯片已被大規(guī)模應(yīng)用于通信領(lǐng)域。

欲了解更多關(guān)于FPGA行業(yè)的市場(chǎng)數(shù)據(jù)及未來行業(yè)投資前景，可以點(diǎn)擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報(bào)告《2020-2025年中國(guó)FPGA產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及未來發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告》。

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