FPGA國產(chǎn)替代未來可期

• 2023年8月16日 來源：中研網(wǎng) 340 15
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靈活性、低功耗、并行計(jì)算優(yōu)勢鑄就不可替代性，F(xiàn)PGA是未來數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵。FPGA最大的特點(diǎn)是可編程性，用戶在使用過程中可以通過軟件靈活地配置芯片內(nèi)部的資源，以實(shí)現(xiàn)不同的電路功能；同時(shí)，F(xiàn)PGA因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而適用于并行計(jì)算，且以更低的功耗主打能耗比、性價(jià)比優(yōu)勢。

FPGA（FieldProgrammableGateArray）又稱現(xiàn)場可編程門陣列，是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，用戶在使用過程中可以通過軟件重新配置芯片內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)不同功能。通俗意義上講，F(xiàn)PGA芯片類似于集成電路中的積木，用戶可根據(jù)各自的需求和想法，將其拼搭成不同的功能、特性的電路結(jié)構(gòu)，以滿足不同場景的應(yīng)用需求。鑒于上述特性，F(xiàn)PGA芯片又被稱作“萬能”芯片。

據(jù)安路科技招股書，F(xiàn)PGA芯片由可編程的邏輯單元（LogicCell，LC）、輸入輸出單元（InputOutputBlock，IO）和開關(guān)連線陣列（SwitchBox，SB）三個(gè)部分構(gòu)成：

（1）邏輯單元：通過數(shù)據(jù)查找表（Look-upTable，LUT）中存放的二進(jìn)制數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。LUT的本質(zhì)是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（StaticRandomAccessMemory，SRAM），其大小是由輸入端的信號(hào)數(shù)量決定的，常用的查找表電路是四輸入查找表（4-inputLUT，LUT4）、五輸入查找表（5-inputLUT，LUT5）和六輸入查找表（6-inputLUT，LUT6）。查找表輸入端越多，可以實(shí)現(xiàn)的邏輯電路越復(fù)雜，因此邏輯容量越大，但是查找表的面積和輸入端數(shù)量成指數(shù)關(guān)系，輸入端數(shù)量增加一個(gè)，查找表使用的SRAM存儲(chǔ)電路面積增加約一倍。不同的邏輯單元結(jié)構(gòu)可以使用不同大小的查找表，或者是不同查找表類型的組合。此外，邏輯單元內(nèi)部還包含選擇器、進(jìn)位鏈和觸發(fā)器等其他組件。為了提高芯片架構(gòu)效率，若干邏輯單元可以進(jìn)一步組成邏輯塊（LogicBlock），邏輯塊內(nèi)部提供快速局部資源，從而形成層次化芯片架構(gòu)。

（2）輸入輸出單元：是芯片與外界電路的接口部分，用于實(shí)現(xiàn)不同條件下對(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求。

（3）開關(guān)陣列：能夠通過內(nèi)部MOS管的開關(guān)控制信號(hào)連線的走向。

FPGA從Xilinx公司1985年推出世界首款FPGA芯片“XC2064”經(jīng)歷過數(shù)十年發(fā)展，在硬件架構(gòu)上大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：從PROM階段（簡單的數(shù)字邏輯）到PAL/GAL階段（“與”&“或”陣列）再到CPLD/FPGA階段（超大規(guī)模電路），到如今FPGA與ASIC技術(shù)融合、向系統(tǒng)級(jí)發(fā)展的SoCFPGA/eFPGA階段。硬件水平整體趨向更大規(guī)模、更高靈活性、更優(yōu)性能。

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)場可編程邏輯陣列芯片（FPGA）。

據(jù)復(fù)旦微招股書，F(xiàn)PGA兼具靈活性和并行性兩大特點(diǎn)。

（1）靈活性：FPGA芯片擁有更高的靈活性和更豐富的選擇性，通過對(duì)FPGA編程，用戶可隨時(shí)改變芯片內(nèi)部的連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能。尤其是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟或發(fā)展更迭速度快的行業(yè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA能有效幫助企業(yè)降低投資風(fēng)險(xiǎn)及沉沒成本，是一種兼具功能性和經(jīng)濟(jì)效益的選擇。

（2）并行性：CPU、GPU在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，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(dǎo)致部分任務(wù)需經(jīng)訪問仲裁，從而產(chǎn)生任務(wù)延時(shí)。而FPGA每個(gè)邏輯單元與周圍邏輯單元的連接構(gòu)造在重編程（燒寫）時(shí)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(shí)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(fù)率較高的大數(shù)據(jù)量處理任務(wù)時(shí)，F(xiàn)PGA相比CPU等優(yōu)勢明顯。

據(jù)潤和軟件，相較于其他邏輯芯片而言，F(xiàn)PGA在靈活性、性能、功耗、成本之間具有較好的平衡：

（1）相較于GPU，F(xiàn)PGA在功耗和靈活性等方面具備優(yōu)勢。一方面，由于GPU采用大量的處理單元并且大量訪問片外存儲(chǔ)SDRAM，其計(jì)算峰值更高，同時(shí)功耗也較高，F(xiàn)PGA的平均功耗（10W）遠(yuǎn)低于GPU的平均功耗（200W），可有效改善散熱問題；另一方面，GPU在設(shè)計(jì)完成后無法改動(dòng)硬件資源，而FPGA根據(jù)特定應(yīng)用對(duì)硬件進(jìn)行編程，更具靈活性。機(jī)器學(xué)習(xí)使用多條指令平行處理單一數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA的定制化能力更能滿足精確度較低、分散、非常規(guī)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算需求。

（2）相較于ASIC芯片，F(xiàn)PGA在項(xiàng)目初期具備短周期、高性價(jià)比的優(yōu)勢。ASIC需從標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)芯片的功能及性能需求發(fā)生變化時(shí)或者工藝進(jìn)步時(shí)，ASIC需重新投片，由此帶來較高的沉沒成本以及較長的開發(fā)周期；而FPGA具有編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)芯片功能重新配置，因此早期FPGA常作為定制化ASIC領(lǐng)域的半定制電路出現(xiàn)，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是構(gòu)建原型和開發(fā)設(shè)計(jì)的較快推進(jìn)的路徑之一。

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)勢使其應(yīng)用場景覆蓋了包括工業(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。

各大應(yīng)用領(lǐng)域占比整體保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)中心更具增長動(dòng)力。根據(jù)Xilinx財(cái)報(bào)，2019-2021年下游應(yīng)用占比格局幾乎未發(fā)生大規(guī)模變動(dòng)，其中數(shù)據(jù)中心營收占比分別為7%、9%、10%，相較于其他領(lǐng)域而言具備更快的增長速度。
2022年，國際龍頭廠商AMD和Intel的FPGA業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域大放異彩，成為其業(yè)績?cè)鲩L的有力助推。AMD對(duì)FPGA龍頭Xilinx的收購大大推動(dòng)其嵌入式部門和數(shù)據(jù)中心的業(yè)績?cè)鲩L，兩部門產(chǎn)品營收從2021年的39億美元增長至2022年的106億美元；IntelFPGA業(yè)務(wù)助推DCAI部門（DataCenterandAIGroup，數(shù)據(jù)中心和人工智能事業(yè)部）實(shí)現(xiàn)14%的營收增長。

FPGA在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域未來有望占據(jù)更多市場份額。英特爾中國研究院院長宋繼強(qiáng)曾表示，2020年CPU+FPGA異構(gòu)計(jì)算將占據(jù)云數(shù)據(jù)中心市場的1/3。據(jù)Semico研究公司預(yù)測，全球數(shù)據(jù)中心加速器（包括CPU、GPU、FPGA和ASIC）市場規(guī)模將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)49%。其中FPGA加速器在2018年只有10億美元，到2023年將超過50億美元，其增長驅(qū)動(dòng)力主要來自企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)負(fù)載加速應(yīng)用。

FPGA芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，在云服務(wù)器廠商中已有廣泛部署。數(shù)據(jù)中心使用FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CPU方案后，處理其自定義算法時(shí)可實(shí)現(xiàn)顯著的加速效果。因此近年來，微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務(wù)器上都開始部署FPGA加速器用于運(yùn)算加速。在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下，未來數(shù)據(jù)中心對(duì)芯片性能的要求將進(jìn)一步提高，更多數(shù)據(jù)中心將采納FPGA芯片方案，這將提高FPGA芯片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比。

全球范圍內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展可分為兩個(gè)階段。

（1）第一階段是20世紀(jì)80年代開始的創(chuàng)業(yè)潮與行業(yè)壟斷化。Lattice、Altera、Xilinx和Actel在1983~1985年陸續(xù)成立，并迅速成長為FPGA行業(yè)四大龍頭；2010年后Xilinx和Altera已經(jīng)占據(jù)80%以上的市場份額，剩余份額則大部分被Lattice和Actel瓜分。

（2）第二階段是從2010年開始、以大型并購案為特點(diǎn)的行業(yè)洗牌。隨著半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)FPGA的重視加大，Microchip、Intel和AMD等半導(dǎo)體龍頭紛紛下場收購與整合FPGA業(yè)務(wù)，尤其是Xilinx和Altera分別與母公司AMD和Intel形成CPU+FPGA的集合優(yōu)勢，戰(zhàn)略部署數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。中國FPGA產(chǎn)業(yè)起步和發(fā)展較晚。復(fù)旦微電子自2004年開始進(jìn)行FPGA研發(fā)，布局相對(duì)較早，安路科技和紫光同創(chuàng)也于2011和2013年相繼成立。

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