隨著人工智能（AI）技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用邊界不斷拓寬，從簡單的圖像識別到復(fù)雜的自然語言處理，再到自動駕駛、智能制造等前沿領(lǐng)域，AI正以前所未有的速度改變著我們的世界。

在這場AI革命中，深度學(xué)習(xí)作為其核心驅(qū)動力，不斷推動著算法與模型的革新，同時也對計(jì)算資源提出了更為嚴(yán)苛的要求。

誕生于1985年的FPGA雖然問世時間不長，但已經(jīng)憑借“可編程”的獨(dú)特優(yōu)勢，在百花齊放的芯片浪潮中奪得一席之地，成為GPU芯片的又一勁敵。

01

FPGA的特點(diǎn)

FPGA芯片是基于可編程器件（PAL、GAL、CPLD）發(fā)展而來的，是半定制化、可編程的集成電路。FPGA主要有三大特點(diǎn)：

可編程靈活性高

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，具有高度靈活性。

開發(fā)周期短

在邏輯芯片里面，如ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線處理和流片等多個步驟；而FPGA無需布線、掩膜和定制流片等，芯片開發(fā)大大簡化。一般邏輯芯片，如ASIC、DSP、SOC等，開發(fā)周期需要14—24個月，甚至更長，而FPGA則只需要6—12個月，比其他芯片開發(fā)周期減少55%的時間。

正如全球FPGA第一大廠商Xilinx（賽靈思）認(rèn)為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市6個月，5年內(nèi)將減少33%的利潤，每晚四周等于損失14%的市場份額。

并行計(jì)算效率高

FPGA屬于并行計(jì)算，也即一次可執(zhí)行多個指令算法。而傳統(tǒng)的ASIC、DSP、CPU都是串行計(jì)算，一次只能處理一個指令集。因此在部分特殊任務(wù)中，F(xiàn)PGA的并行計(jì)算效率比串行計(jì)算效率更高。

CPU、GPU、ASIC和FPGA是四種計(jì)算機(jī)處理器類型，不同處理器有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

FPGA與主流芯片的對比

CPU的邏輯運(yùn)算單元（ALU）較少，控制器（control）占比較大；GPU的邏輯運(yùn)算單元（ALU）小而多，控制器功能簡單，緩存（cache）也較少。架構(gòu)的不同使得CPU擅長進(jìn)行邏輯控制、串行計(jì)算，而GPU擅長高強(qiáng)度的并行計(jì)算。GPU單個運(yùn)算單元處理能力弱于CPU的ALU，但是數(shù)量眾多的運(yùn)算單元可以同時工作，當(dāng)面對高強(qiáng)度并行計(jì)算時，其性能要優(yōu)于CPU?，F(xiàn)如今GPU除了圖像處理外，也越來越多地運(yùn)用到別的計(jì)算中。

可以說，CPU更像是一個有多種功能的優(yōu)秀領(lǐng)導(dǎo)者。它的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)度、管理、協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，計(jì)算能力則位于其次。而GPU相當(dāng)于一個接受CPU調(diào)度的“擁有大量計(jì)算能力”的員工。

ASIC即專用集成電路，指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

基于ASIC開發(fā)人工智能芯片更像是電路設(shè)計(jì)，需要反復(fù)優(yōu)化，需要經(jīng)歷較長的流片周期，故開發(fā)周期較長。

量產(chǎn)后ASIC人工智能芯片成本及價格較低。雖然相較于FPGA，ASIC人工智能芯片需要經(jīng)歷較長的開發(fā)周期，并且需要價格昂貴的流片投入，但是這些前期開發(fā)投入在量產(chǎn)后會被攤薄，所以量產(chǎn)后，ASIC人工智能芯片的成本和價格會低于FPGA人工智能芯片。

受益于與眾不同的架構(gòu)，F(xiàn)PGA的可編程屬性使其相比其他處理器，在算力、成本、功耗之間更能取得平衡。

02

FPGA迎來爆發(fā)時刻

FPGA由于具備可編程靈活性高、開發(fā)周期短以及并行計(jì)算效率高的特點(diǎn)，使得FPGA的應(yīng)用場景特別廣泛。

通信是目前FPGA規(guī)模最大的應(yīng)用市場。FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)交換、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、流量控制等。它可以用于實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)處理和大規(guī)模的射頻中繼等。例如，在5G通信技術(shù)中，F(xiàn)PGA被用于基站的信號處理和數(shù)據(jù)處理，提高了通信系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

工業(yè)領(lǐng)域是FPGA芯片的主要應(yīng)用市場之一。FPGA在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于視頻處理、圖像處理、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號控制和運(yùn)算加速功能。例如，在自動化生產(chǎn)線中，F(xiàn)PGA被用于控制機(jī)械臂的運(yùn)動和協(xié)調(diào)各個設(shè)備的運(yùn)作。

數(shù)據(jù)中心是FPGA芯片的新興應(yīng)用市場之一。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)算處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片主要用于硬件加速。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(jì)算能力和足夠的靈活性；相比GPU，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)中心具有低延遲及高吞吐的優(yōu)勢；相比ASIC，F(xiàn)PGA芯片可在靈活性、開發(fā)時間等方面達(dá)到出色的平衡。

隨著電動汽車興起，FPGA在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛。汽車電子行業(yè)對FPGA的需求主要來自ADAS（智能感知系統(tǒng)）和AV（自動駕駛汽車）。比如：FPGA芯片可用于控制和驅(qū)動電動汽車電機(jī)控制系統(tǒng)，連接駕駛系統(tǒng)、儀表盤、雷達(dá)、超聲波傳感器等各種車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等信號處理和控制。在視頻橋接和融合領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片可用于實(shí)現(xiàn)多個圖像傳感器的信號橋接、3D環(huán)視視頻融合、倒車輔助視頻、輔助駕駛視頻等功能。在輔助駕駛和自動駕駛領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺與目標(biāo)檢測等各種功能。

在人工智能時代，AI的算法不斷推陳出新，對于硬件的算力和靈活度要求很高，FPGA的靈活性剛好符合AI的特性。FPGA主要被用作矩陣乘算法的加速器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的執(zhí)行器。它可以實(shí)現(xiàn)低延遲的計(jì)算和高性能的運(yùn)算，為人工智能的發(fā)展提供了強(qiáng)大的硬件支持。例如，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA被用于加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理和訓(xùn)練過程，提高了人工智能系統(tǒng)的處理速度和能效。此外，隨著異構(gòu)計(jì)算融合等形式越來越受推崇，F(xiàn)PGA+CPU等架構(gòu)也給AI帶來更多的潛在優(yōu)勢。

03

國際FPGA競爭格局

全球FPGA市場主要被賽靈思（已被AMD收購）和Intel兩家海外企業(yè)雙寡頭壟斷，在2019年，兩家合計(jì)占據(jù)了全球市場份額的85%以上。由于技術(shù)壁壘高、更新?lián)Q代速度快，全球FPGA市場高度集中，國內(nèi)廠商占比較低。

AMD產(chǎn)品已進(jìn)入7nm復(fù)雜異構(gòu)

AMD（Xilinx）FPGA相關(guān)產(chǎn)品矩陣主要包括：四大FPGA產(chǎn)品系列（VIRTEX、KINTEX、ARTIX、SPARTAN），以及集成度更高的兩大自適應(yīng)SoC（AdaptiveSoC）系列（ZYNQ、VERSAL）。

AMD（Xilinx）FPGA高/中/低端產(chǎn)品系列對比

從芯片制程來看，主要有UltraScale+（16nm）、UltraScale（20nm）、7系列（28nm）和6系列（45nm）四大類，VERSAL則是整體升級為7nm制程。

從芯片架構(gòu)來看，F(xiàn)PGA單芯片向更先進(jìn)工藝、更高速電路結(jié)構(gòu)、復(fù)雜異構(gòu)SoC系統(tǒng)發(fā)展，AMD的VERSAL系列產(chǎn)品中集成了PCIe、Ethernet通信協(xié)議以及AI引擎、NoC架構(gòu)等。

從產(chǎn)品價格來看，隨著產(chǎn)品定位從低端走向高端，F(xiàn)PGA容量等指標(biāo)不斷提升，通信架構(gòu)逐漸升級，對應(yīng)開發(fā)板的價格也從數(shù)百美元逐步上漲到一萬多美元。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用所適用的FPGA芯片大多為高端FPGA產(chǎn)品線，僅有少部分中高端FPGA也能夠滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)加速需求。

英特爾：高端已大量出貨，低功耗系列即將推出

今年3月，英特爾將其可編程解決方案事業(yè)部（PSG）獨(dú)立運(yùn)營，并以Altera的品牌形象重新呈現(xiàn)。新成立的Altera制定了全新的發(fā)展戰(zhàn)略，旨在通過聚焦高性能FPGA市場來鞏固并擴(kuò)大其市場地位，同時積極開拓中低端FPGA市場，以吸引更廣泛的客戶基礎(chǔ)并拓展發(fā)展空間。

Agilex FPGA和SoC FPGA家族基于英特爾 10納米制程節(jié)點(diǎn)構(gòu)建，可提高性能并降低功耗。

Agilex9 FPGA和SoC FPGA為目標(biāo)應(yīng)用提供前所未有的功能和優(yōu)化，超越了主流可編程邏輯的極限。目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。這款產(chǎn)品憑借業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，尤其適用于需要處理高帶寬混合信號FPGA的應(yīng)用場景。

Agilex7 FPGA和SoC FPGA是一款高性能FPGA，提供業(yè)界領(lǐng)先的架構(gòu)和I/O速度，是大多數(shù)帶寬密集型和計(jì)算密集型應(yīng)用的理想之選。英特爾Agilex 7的邏輯結(jié)構(gòu)性能功耗比，對比競爭對手的7nm節(jié)點(diǎn)FPGA，提升約2倍。

Agilex 7器件采用先進(jìn)的10納米SuperFin技術(shù)（F系列和I系列）、英特爾7技術(shù)（M系列）和第二代英特爾Hyperflex FPGA架構(gòu)。這款產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)、國防和工業(yè)。

Agilex 5是一款針對需要高性能、低功耗和小尺寸的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的中端FPGA。該產(chǎn)品現(xiàn)已全面上市。

英特爾Agilex 5是首批支持LPDDR4、LPDDR5（+DDR4、DDR5）的FPGA、首批配備AI張量塊的產(chǎn)品，擁有首個非對稱多核應(yīng)用處理器系統(tǒng)（2xArm A76、2xArm A55），可提升在邊緣端AI推理能力。其E系列進(jìn)行了功耗和尺寸優(yōu)化，對比16nm競品，性能功耗比提升1.6倍；D系列進(jìn)行了性能優(yōu)化，對比7nm競品，性能功耗比提升2倍。

Agilex 3即將問世，該產(chǎn)品系列具有更小的外形尺寸以及功耗和成本優(yōu)化。這款產(chǎn)品旨在為云計(jì)算、通信和智能邊緣應(yīng)用中的低復(fù)雜度功能提供領(lǐng)先的低功耗FPGA系列產(chǎn)品。

綜上所述，Altera的產(chǎn)品線日益完善，其中Agilex 9正處于規(guī)?；a(chǎn)階段，Agilex 7的F系列和I系列設(shè)備已投入生產(chǎn)，Agilex 5已全面上市，而即將推出的Agilex 3將滿足云、通信和智能邊緣應(yīng)用對低復(fù)雜度、低功耗FPGA的需求。

04

國產(chǎn)之爭愈發(fā)激烈

目前，本土FPGA廠商和海外龍頭的差距客觀存在，有充分的追趕空間。

國內(nèi)外廠商的差距

首先看一下國產(chǎn)廠商與國際廠商當(dāng)前的差距。

從FPGA的容量來看，目前國產(chǎn)民用FPGA最高水平能做到約400k邏輯單元，而目前全球容量最大的FPGA為AMD在2023年6月27日推出的VP1902（VersalPremium），邏輯單元數(shù)高達(dá)18,507k，是國內(nèi)的46倍。

從制程上看，目前國產(chǎn)最先進(jìn)制程在14/16nm，而Xilinx在2018年便發(fā)布了7nm的異構(gòu)FPGA產(chǎn)品Versal。

從收入來看，中國主要的FPGA公司有紫光同創(chuàng)、安路科技、復(fù)旦微電、高云半導(dǎo)體、國微電子、易靈思、西安智多晶、京微齊力等。中國作為全球FPGA市場的重要組成部分，2022年市占率在1/3左右，但在供應(yīng)鏈側(cè)，國產(chǎn)FPGA芯片的全球市占率卻不足10%。

從下游應(yīng)用看，目前最高端的FPGA兩大領(lǐng)域——原型驗(yàn)證、數(shù)據(jù)中心加速計(jì)算仍未有國產(chǎn)FPGA能夠進(jìn)入。

從毛利率看，目前國產(chǎn)FPGA集中于在消費(fèi)電子領(lǐng)域進(jìn)行中低容量的替代，相比大容量FPGA市場的進(jìn)入壁壘相對較低，出現(xiàn)了一定程度的“內(nèi)卷”，典型毛利率在35%—40%之間，而AMD在高端FPGA市場競爭優(yōu)勢突出，近10年毛利率基本維持在65%以上，近3年更是接近70%。

國產(chǎn)廠商技術(shù)進(jìn)步迅速

中國FPGA產(chǎn)業(yè)雖起步晚，但近年來發(fā)展迅速。

在市場側(cè)驅(qū)動和國家政策的扶持下，本土FPGA企業(yè)不斷發(fā)力，在技術(shù)和市場兩方面都取得了不小的成績。

目前中國廠商的低容量FPGA技術(shù)已發(fā)展較為成熟。低容量 FPGA的邏輯單元<100k，要求極致的低成本和低功耗，主要集中在55nm、40nm和28nm這三個節(jié)點(diǎn)。

國產(chǎn)廠商大部分在2019年及之前就推出了此類產(chǎn)品，它也往往是本土FPGA廠商的第一代產(chǎn)品。例如，紫光同創(chuàng)的Logos系列在2017年推出，為40nm的低功耗、低成本FPGA，邏輯單元在12-102k之間；安路科技的55nm的Eagle4在2016年推出，邏輯單元20k，主要用于伺服控制、高速圖像接口轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域；高云半導(dǎo)體的55nm的FPGA小蜜蜂（LittleBee）在2016年推出，是公司第一代產(chǎn)品，邏輯單元數(shù)在1-8k。

在 28nm的中低容量市場，中國FPGA廠商也已經(jīng)具備成熟的產(chǎn)品。中容量FPGA主要指邏輯單元在100k-500k的FPGA，主要應(yīng)用集中在無線通信的空口側(cè)、工業(yè)、汽車、A&D領(lǐng)域，中容量市場不追求最高的性能，性能和功耗同等重要，對成本亦有一定要求。比如紫光同創(chuàng)、安路科技、智多晶均在2020年推出了28nm的FPGA產(chǎn)品，主要對標(biāo)Xilinx的7系列產(chǎn)品等。

此外還有部分廠商推出22nm 的 FPGA，以實(shí)現(xiàn)替代部分28nm 的中低容量 FPGA。比如高云在 2022 年 9 月推出的 Aurora V，是其 22nm 的 FPGA 產(chǎn)品，邏輯單元數(shù)為 138k。

500K 以上的高容量 FPGA 是目前國產(chǎn)替代的難點(diǎn)。需要本土公司在硬件架構(gòu)、EDA軟件、IP性能等方面深入發(fā)展。其中，最重要的是解決EDA軟件在大規(guī)模FPGA的布局布線問題。

國產(chǎn)FPGA營收大幅增長

再看國產(chǎn)FPGA廠商的營收情況。

安路科技作為國內(nèi)FPGA領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，2018、2019年，安路科技營業(yè)收入只有2852.03萬元、1.22億元。之后在2021年、2022年其業(yè)績出現(xiàn)翻倍增長。

根據(jù)公開數(shù)據(jù)，2020年安路科技的FPGA業(yè)務(wù)收入為2.8億元，隨后幾年持續(xù)攀升。到2021年，其FPGA業(yè)務(wù)收入增長至6.42億元，同比增長超過一倍。到2022年，這一數(shù)字更是增長至9.89億元，顯示出強(qiáng)勁的市場增長勢頭。

安路科技的毛利率同樣表現(xiàn)優(yōu)異。從2020年到2022年，其毛利率分別為34.05%、34.18%和39.13%，呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢。特別是在FPGA業(yè)務(wù)領(lǐng)域，其毛利率在2022年達(dá)到了39.13%。

復(fù)旦微作為國內(nèi)老牌IC設(shè)計(jì)企業(yè)，在FPGA領(lǐng)域同樣表現(xiàn)出色。近年來，其FPGA業(yè)務(wù)收入持續(xù)增長。2020年，復(fù)旦微的FPGA業(yè)務(wù)收入為2.04億元；到2021年，這一數(shù)字增長至4.27億元；而到了2022年，更是達(dá)到了7.81億元，顯示出公司在FPGA市場中的強(qiáng)勁競爭力。

復(fù)旦微的毛利率同樣處于較高水平。從2020年到2022年，其FPGA業(yè)務(wù)毛利率分別為82.56%、84.71%和84.7%，保持了較高的穩(wěn)定性和盈利能力。這主要得益于公司強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和完善的產(chǎn)品線布局。

05

國產(chǎn)FPGA廠商機(jī)遇眾多

目前FPGA國產(chǎn)化有兩大有利條件：一是近年國產(chǎn)FPGA廠商收到的政府補(bǔ)助金額較大，體現(xiàn)國家對FPGA 國產(chǎn)化的強(qiáng)烈扶持態(tài)度。二是28nm生命周期比以往代際更長，給了國產(chǎn)廠商較為充分的追趕空間。

從已披露數(shù)據(jù)來看，2018年—2022年5年間，國產(chǎn)FPGA廠商每年均收到了千萬級甚至上億的政府補(bǔ)助。2022年，安路科技、復(fù)旦微、紫光國微計(jì)入當(dāng)期損益的政府補(bǔ)助金額分別為人民幣3000萬+、6000萬+和1.7億元。而主要產(chǎn)品為CPU的龍芯中科2022年政府補(bǔ)助金額為1.9億元，主營產(chǎn)品為CPU和DCU的海光信息為6000萬+，景嘉微為3000萬+。根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2022年微處理器市場規(guī)模508億美元，是FPGA市場規(guī)模的6倍。對比其它品類的數(shù)字芯片公司，F(xiàn)PGA公司收到的政府補(bǔ)助金額依然較大，體現(xiàn)出國家對FPGA的強(qiáng)烈扶持意愿。

此外，作為典型的數(shù)字芯片，F(xiàn)PGA生命周期一般只有10—15年（而模擬芯片可以高達(dá)20年以上），快速迭代的特征使其收入的頂峰往往發(fā)現(xiàn)在推出之后的第4—5年，60%收入在前6年發(fā)生，隨后是量價齊跌的市場。因此，市場玩家必須努力競逐制程領(lǐng)先，因?yàn)橹瞥搪浜髲S商往往無法取得足夠的收入以支撐下一代產(chǎn)品的開發(fā)。而28nm生命周期比以往代際更長，這正給了國產(chǎn)廠商較為充分的追趕空間。

未來，F(xiàn)PGA芯片市場將繼續(xù)保持快速增長態(tài)勢。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。同時，隨著國產(chǎn)FPGA芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場份額的逐步提升，國內(nèi)FPGA芯片市場也將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。

據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測，預(yù)計(jì) 2025 年全球 FPGA 市場規(guī)模將超過 125 億美元，國內(nèi)市場規(guī)模將從 2022 年的 208.8 億人民幣提升至 2025 年的 332.2 億人民幣，三年 CAGR 約 17%。

總的來說，F(xiàn)PGA芯片市場是一個充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的市場。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，F(xiàn)PGA芯片將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。