FPGA芯片下游應(yīng)用廣泛，人工智能或成為重要驅(qū)動因素

• 柯壯賓 2024年1月19日 來源：中研網(wǎng) 749 45
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FPGA（Field-Programmable Gate Array）名為現(xiàn)場可編程門陣列，在1985年由賽靈思創(chuàng)始人RossFreeman發(fā)明，是在硅片上預(yù)先設(shè)計實現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路。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

FPGA（Field-Programmable Gate Array）名為現(xiàn)場可編程門陣列，在1985年由賽靈思創(chuàng)始人RossFreeman發(fā)明，是在硅片上預(yù)先設(shè)計實現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路。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。

FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：可編程邏輯塊、可編程連線和可編程I/O，其中可編程邏輯塊中的LUT是FPGA實現(xiàn)可編程的基礎(chǔ)，可編程連線的布局布線設(shè)計則是FPGA廠商的核心技術(shù)。可編程邏輯塊負(fù)責(zé)承載主要的電路功能，主要包括LUT（查找表look-uptable）、MUX和寄存器。其中，LUT和寄存器是可編程邏輯塊中最重要的“積木”，是可編程作用的核心單元?？删幊踢B線負(fù)責(zé)以一種滿足時序的約束方式聯(lián)通FPGA中各個邏輯塊，主要包括映射、包裝和布局布線三個核心步驟。其中，布局布線涉及到FPGA的內(nèi)部具體架構(gòu)，是FPGA設(shè)計公司的核心機(jī)密技術(shù)，僅在公司內(nèi)部EDA上進(jìn)行?？删幊蘄/O負(fù)責(zé)和外界的交互，主要包括：IOB模塊及緊鄰的IO邏輯資源。

根據(jù)中研網(wǎng)《2024-2029年中國FPGA芯片行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研及投資前景預(yù)測研究報告》資料顯示，F(xiàn)PGA市場為百億量級，預(yù)計國內(nèi)市場未來3年內(nèi)年均復(fù)合增長率高于全球平均。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球FPGA市場規(guī)模將從2016年的約43.4億美元增長至2020年約60.8億美元，年均復(fù)合增長率約為8.8%。預(yù)計未來全球FPGA市場規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復(fù)合增長率約為16.4%。受到國產(chǎn)替代需求的推動，中國FPGA市場增速高于全球平均。中國的FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2020年的約150.3億元，年均復(fù)合增長率約為23.1%。預(yù)計到2025年，中國FPGA市場規(guī)模將達(dá)到約332.2億元，2021至2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到17.1%。

圖表：全球FPGA市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：Frost&Sullivan

圖表：中國FPGA市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：Frost&Sullivan

（一）人工智能領(lǐng)域

FPGA由于其可以更好的平衡處理效率及靈活性，可以更好兼顧AI對。從性能的角度看，F(xiàn)PGA與GPU相比，F(xiàn)PGA具備明顯的能效優(yōu)勢，即相同性能下FPGA的單位能耗更低；與ASIC相比，ASIC的靈活性不足，而AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的速度較快，ASIC無法跟上算法的迭代更新。具體來說，一方面，AI應(yīng)用對硬件平臺的算力提出了極高的需求，又同時要求硬件架構(gòu)兼顧高能效、低延時、高吞吐、可伸縮等一系列特性。另一方面，AI應(yīng)用和算法層出不窮，對訓(xùn)練和推斷任務(wù)的系統(tǒng)需求也不盡相同。這樣一來，就急需擁有強(qiáng)大處理能力、有極強(qiáng)靈活性的硬件，以滿足AI應(yīng)用的需求。而FPGA恰恰由于其可以動態(tài)的改變不同模塊的運行功能，從而有更高的并行靈活性及處理效率。從成本的角度看，如果具體的應(yīng)用場景或算法發(fā)展得太快，或者硬件規(guī)模太小，以致開發(fā)和使用ASIC的成本過于高昂時，也可以繼續(xù)使用FPGA作為實現(xiàn)平臺。（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(dān)流片失敗風(fēng)險，對于小批量多批次的專用控制設(shè)備，F(xiàn)PGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本優(yōu)勢。）當(dāng)應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大時，就可以在合適的時機(jī)，選擇將這些已經(jīng)成熟的定制化硬件設(shè)計直接轉(zhuǎn)化成定制化芯片，以提高它們的穩(wěn)定性，并降低功耗和平均成本。

在國內(nèi)外生成式預(yù)訓(xùn)練語言類大模型陸續(xù)發(fā)布的大背景下，F(xiàn)PGA市場將受到較高更快拉動。根據(jù)SemicoResearch的數(shù)據(jù)，人工智能領(lǐng)域的FPGA全球市場規(guī)模2023年有望達(dá)52億美元，五年復(fù)合增速有望達(dá)38.4%。國內(nèi)方面，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國銷售額將達(dá)到5.8億元，占中國FPGA芯片市場份額的3.9%，2021年至2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到16.9%。2022年11月以來，隨著Chatgpt-3&4、“文心一言”、“盤古大模型”等國內(nèi)外語言類大模型陸續(xù)發(fā)布及開放測試，對AI芯片市場預(yù)計將產(chǎn)生較強(qiáng)拉動。其中，F(xiàn)PGA由于其在人工智能領(lǐng)域處理效率及靈活性方面的顯著優(yōu)勢，將優(yōu)先受益于AI芯片市場增長。

（二）數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域

FPGA相比ASIC，F(xiàn)PGA芯片在性能、靈活性、同構(gòu)性、成本和功耗等五個方面可以達(dá)到出色的平衡。相比于CPU，F(xiàn)PGA芯片由于其無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)，能夠同時提供強(qiáng)大的計算能力和足夠的靈活性；相比GPU，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域具有低延遲及高吞吐的優(yōu)勢。

FPGA芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，并被廣泛應(yīng)用于2016年后發(fā)布的云計算模型中。由于數(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可實現(xiàn)顯著的加速效果，從而后續(xù)在微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務(wù)器中，F(xiàn)PGA芯片都得到了廣泛部署。因此在云計算大面積應(yīng)用的背景下，未來隨著數(shù)據(jù)中心對芯片性能的要求將進(jìn)一步提高，預(yù)計更多數(shù)據(jù)中心將采納FPGA芯片方案。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示，2020年應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的FPGA芯片中國銷售額將達(dá)到16.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的10.7%，2021年至2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到16.6%。

（三）通信領(lǐng)域（5G）

FPGA由于其具有可編程的靈活性以及低延時性，在通訊協(xié)議經(jīng)常變化和升級的情況下具有獨特優(yōu)勢。由于5G通訊對基站射頻芯片的連接速度、低延時、連接密度、頻譜帶寬的要求更高，且新增MassiveMIMO（大規(guī)模天線整列）技術(shù)、云RAN、新的基帶和RF架構(gòu)等5G關(guān)鍵技術(shù)，擁有較長的迭代升級過程和較大的技術(shù)不確定性。這使得市場很難快速推出成熟的5GASIC芯片，從而為FPGA在5G領(lǐng)域的運用提供了較長的時間窗口。因此，在整個5G系統(tǒng)方案穩(wěn)定運行前，F(xiàn)PGA是更加理想的解決方案。

FPGA在通信領(lǐng)域的市場規(guī)模將隨著5G基站建設(shè)數(shù)量、單基站FPGA用量及芯片單價的提高而增長。根據(jù)MarketResearchFuture的數(shù)據(jù)，2018年電子通訊領(lǐng)域FPGA全球市場規(guī)模達(dá)25億美元左右，約占FPGA全球總市場規(guī)模的40%。其中國內(nèi)方面，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示2020年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國銷售額將達(dá)到62.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的41.3%，2021年至2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到17.5%。增長主要來源于5G基站數(shù)量的增長及單基站FPGA用量的提高。數(shù)量方面，據(jù)工業(yè)信息部統(tǒng)計，到2023年2月我國5G基站總數(shù)達(dá)238.4，較2022年末凈增7.21萬個。預(yù)計到“十四五”末，將需要建成360萬個5G基站（每萬人26個），2022-2025復(fù)合增長率為15%。單基站用量方面，F(xiàn)PGA數(shù)量有望從4G基站的2-3塊增長至5G基站的4-5塊，帶動通信市場中的FPGA擴(kuò)容。單價方面，由于FPGA主要用在收發(fā)器的基帶中，5G時代由于通道數(shù)的增加，計算復(fù)雜度增加，所用FPGA的規(guī)模將增加，由于FPGA的定價與片上資源正相關(guān)，未來單價有望進(jìn)一步提高。

（四）特種集成電路領(lǐng)域

FPGA由于其具有可靠性高、布線復(fù)雜度低及后期設(shè)計修改靈活性高的特點被廣泛應(yīng)用于特種集成電路領(lǐng)域。可靠性高即經(jīng)過特殊處理的FPGA芯片在特殊環(huán)境中可以適應(yīng)高溫、高壓等惡劣條件；布線簡單則可以減少在電路高頻率運行時帶來的電磁干擾，保證電路性能；后期設(shè)計靈活則有利于根據(jù)需要調(diào)整或擴(kuò)展功能。特種集成電路領(lǐng)域引用場景惡劣，需要芯片在特殊溫度、濕度、壓力及安全等環(huán)境下保持性能，同時特種領(lǐng)域同一批次需求量相對較小，因而經(jīng)特殊處理的FPGA芯片在此應(yīng)用領(lǐng)域具有較強(qiáng)性價比。

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