FPGA芯片行業發展概況

• 邱晨陽 2023年3月6日 來源：中研網 711 42
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FPGA芯片因為其現場可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應用領域非常豐富，包括工業控制、網絡通信、消費電子、數據中心、汽車電子、人工智能等領域，這些領域需求增長明確，發展空間廣闊。

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，數字信號處理芯片DSP等)、存儲器芯片(Memory)、專用集成電路芯片(ASIC)和現場可編程邏輯陣列芯片(FPGA)。與其他三類集成電路相比，FPGA芯片的最大特點是現場可編程性。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，用戶無法對其硬件功能進行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據自己的實際需要，將自己設計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆FPGA芯片均可以進行多次不同功能配置，從而實現不同的功能。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軟件來對芯片進行配置。所以FPGA芯片公司不僅僅是集成電路設計企業，還必須是集成電路EDA軟件企業。與其他三類集成電路相比，FPGA芯片產品于20世紀80年代中期面世，發展歷史相對較短。早期的FPGA芯片由于設計、制造難度較大、價格昂貴且性能遠遠落后于專用集成電路，因此應用比較有限，一般被集成電路設計公司或者研究機構用于產品原型的驗證。隨著FPGA技術本身的飛速發展，以及半導體制造工藝的不斷演進，當前FPGA的價格和性能已經能夠和專用集成電路競爭，又由于其可反復改寫的靈活性，全球FPGA產業在2000年以后有了大幅度的成長。2022年，全球FPGA的年銷售額已超過65億美元。預計到2025年，全球FPGA市場將超過120億美元。

2)FPGA芯片的主要應用場景

FPGA芯片是通過現場編程實現任意電路功能的通用集成電路芯片，芯片出廠時沒有特定的功能，通過FPGA專用EDA軟件現場對硬件進行編程就可以實現具體用戶需要的功能。FPGA芯片因為其現場可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應用領域非常豐富，包括工業控制、網絡通信、消費電子、數據中心、汽車電子、人工智能等領域，這些領域需求增長明確，發展空間廣闊。

(2)FPGA芯片市場概況

FPGA芯片具有靈活性高、應用開發成本低、上市時間短等優勢使其應用場景覆蓋了包括工業控制、網絡通信、消費電子、數據中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場，根據Frost&Sullivan數據，從2016年的約43.4億美元增長至2020年約60.8億美元，年均復合增長率約為8.8%。未來，隨著全球新一代通信設備部署以及人工智能與自動駕駛技術等新興市場領域需求的不斷增長，FPGA市場規模預計將持續提高。根據Frost&Sullivan數據統計，預計全球FPGA市場規模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復合增長率約為16.4%。

近幾年中國FPGA市場持續擴大增長，中國FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2022年的約170.3億元。隨著國產替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望持續擴大。預計到2025年，中國FPGA市場規模將達到約332.2億元。

工業領域是FPGA芯片的主要應用市場之一，2022年應用于該領域的FPGA芯片中國市場銷售額將達到53.4億元，占中國FPGA芯片市場份額的31.5%，2023年至2025年年均復合增長率將達到16.1%。FPGA芯片在工業領域應用非常廣泛，大量應用在視頻處理、圖像處理、數控機床等領域實現信號控制和運算加速功能。隨著智能化與自動化技術的發展，工業領域也正逐漸從以人力資源為核心要素轉向以自動化為核心要素的智能化無人工廠。受益于工業智能化、無人化的發展趨勢，FPGA芯片高效能、實時性、高靈活性的特點使其在工業領域得到了廣泛應用。以數控機床的伺服系統為例，相較傳統的只能控制單一馬達的專用芯片，FPGA芯片可以做到多通道的馬達控制。

目前驅動馬達所消耗的電力占據了全球能源消耗的很大部分，在節能環保的趨勢下，未來各類能夠精準控制馬達并可以在單一芯片上實現控制多個馬達的FPGA芯片將在工業控制領域得到更多應用。此外，FPGA芯片的優勢也使其在LED顯示屏領域得到了廣泛的應用。LED顯示屏控制系統是一個融合計算機控制技術、視頻技術、光電子技術、通信技術的綜合系統。當前主流的LED顯示屏控制系統多以FPGA芯片或FPGA芯片結合其他芯片做為主控芯片。FPGA芯片的現場可編程特性可滿足大型LED顯示屏系統顯示數據格式轉換的需求，以滿足各種形狀和規格顯示屏的定制，也可滿足其需要進行亮度、對比度、灰度級等參數靈活調節的需求，使LED顯示屏得到更加細膩的顯示畫面。最后，集成嵌入式CPU的現場可編程系統級芯片將軟件編程控制、硬件編程控制、硬件并行運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，已經展現出強大的設計優勢，為單芯片解決工業應用中多種需求提供了更好的系統方案，可以完成智能制造、智慧醫療、安防監控、電力控制、軌交控制等應用中從簡單到復雜的各種控制和計算功能。

FPGA芯片目前被大量應用在無線通信和有線通信設備中，實現接口擴展、邏輯控制、數據處理、單芯片系統等各種功能。在有線通信領域，FPGA芯片被應用于數據接入、傳送、路由器、交換機的多種電路板中，以實現信號控制、傳輸加速等各種功能。在無線通信領域，FPGA芯片被應用在無線通信基站和射頻處理單元的多種電路板中，以實現通信協議的各種功能和未來升級需求，集成CPU的現場可編程系統級芯片產品被應用在室外微基站、室內微基站等無線網絡通信中，以單芯片完成商業、住宅、工廠區域的多模覆蓋、網絡容量增加、人工智能計算等多樣性功能需求。在網絡通信領域，FPGA芯片得到大規模運用主要是由于其具有高度的靈活性、極強的實時處理和并行處理能力，大大加強了通信設備的處理能力。在無線通信系統中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，這些濾波函數往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片內在的分布式邏輯和運算單元結構使其可以較容易地實現分布式的算法結構，因此可以有效地實現這些乘和累加操作，使其可以實現通信過程中大量的高速數字信號處理功能。相較于其他類型芯片，FPGA芯片一方面依靠其運算速度可以有效滿足通信領域高速的通信協議處理需求，另一方面又可依靠其靈活性以適應通信協議持續迭代的特點。此外，FPGA芯片對于復雜信號、多維信號的處理能力較強，可較好適應日益復雜的網絡環境。基于以上特點，FPGA芯片已被大規模應用于通信領域。

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