FPGA國產替代未來可期

• 2023年8月16日 來源：中研網 340 15
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靈活性、低功耗、并行計算優勢鑄就不可替代性，FPGA是未來數據中心的關鍵。FPGA最大的特點是可編程性，用戶在使用過程中可以通過軟件靈活地配置芯片內部的資源，以實現不同的電路功能；同時，FPGA因其結構特點而適用于并行計算，且以更低的功耗主打能耗比、性價比優勢。

FPGA（FieldProgrammableGateArray）又稱現場可編程門陣列，是在硅片上預先設計實現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部的資源實現不同功能。通俗意義上講，FPGA芯片類似于集成電路中的積木，用戶可根據各自的需求和想法，將其拼搭成不同的功能、特性的電路結構，以滿足不同場景的應用需求。鑒于上述特性，FPGA芯片又被稱作“萬能”芯片。

據安路科技招股書，FPGA芯片由可編程的邏輯單元（LogicCell，LC）、輸入輸出單元（InputOutputBlock，IO）和開關連線陣列（SwitchBox，SB）三個部分構成：

（1）邏輯單元：通過數據查找表（Look-upTable，LUT）中存放的二進制數據來實現不同的電路功能。LUT的本質是一種靜態隨機存取存儲器（StaticRandomAccessMemory，SRAM），其大小是由輸入端的信號數量決定的，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，可以實現的邏輯電路越復雜，因此邏輯容量越大，但是查找表的面積和輸入端數量成指數關系，輸入端數量增加一個，查找表使用的SRAM存儲電路面積增加約一倍。不同的邏輯單元結構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，邏輯單元內部還包含選擇器、進位鏈和觸發器等其他組件。為了提高芯片架構效率，若干邏輯單元可以進一步組成邏輯塊（LogicBlock），邏輯塊內部提供快速局部資源，從而形成層次化芯片架構。

（2）輸入輸出單元：是芯片與外界電路的接口部分，用于實現不同條件下對輸入/輸出信號的驅動與匹配要求。

（3）開關陣列：能夠通過內部MOS管的開關控制信號連線的走向。

FPGA從Xilinx公司1985年推出世界首款FPGA芯片“XC2064”經歷過數十年發展，在硬件架構上大致經歷了四個階段：從PROM階段（簡單的數字邏輯）到PAL/GAL階段（“與”&“或”陣列）再到CPLD/FPGA階段（超大規模電路），到如今FPGA與ASIC技術融合、向系統級發展的SoCFPGA/eFPGA階段。硬件水平整體趨向更大規模、更高靈活性、更優性能。

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）。

據復旦微招股書，FPGA兼具靈活性和并行性兩大特點。

（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FPGA編程，用戶可隨時改變芯片內部的連接結構，實現任何邏輯功能。尤其是在技術標準尚未成熟或發展更迭速度快的行業領域，FPGA能有效幫助企業降低投資風險及沉沒成本，是一種兼具功能性和經濟效益的選擇。

（2）并行性：CPU、GPU在執行任務時，執行單元需按順序通過取指、譯碼、執行、訪存以及寫回等一系列流程完成數據處理，且多方共享內存導致部分任務需經訪問仲裁，從而產生任務延時。而FPGA每個邏輯單元與周圍邏輯單元的連接構造在重編程（燒寫）時就已經確定，寄存器和片上內存屬于各自的控制邏輯，無需通過指令譯碼、共享內存來通信，各硬件邏輯可同時并行工作，大幅提升數據處理效率。尤其是在執行重復率較高的大數據量處理任務時，FPGA相比CPU等優勢明顯。

據潤和軟件，相較于其他邏輯芯片而言，FPGA在靈活性、性能、功耗、成本之間具有較好的平衡：

（1）相較于GPU，FPGA在功耗和靈活性等方面具備優勢。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SDRAM，其計算峰值更高，同時功耗也較高，FPGA的平均功耗（10W）遠低于GPU的平均功耗（200W），可有效改善散熱問題；另一方面，GPU在設計完成后無法改動硬件資源，而FPGA根據特定應用對硬件進行編程，更具靈活性。機器學習使用多條指令平行處理單一數據，FPGA的定制化能力更能滿足精確度較低、分散、非常規深度神經網絡計算需求。

（2）相較于ASIC芯片，FPGA在項目初期具備短周期、高性價比的優勢。ASIC需從標準單元進行設計，當芯片的功能及性能需求發生變化時或者工藝進步時，ASIC需重新投片，由此帶來較高的沉沒成本以及較長的開發周期；而FPGA具有編程、除錯、再編程和重復操作等優點，可實現芯片功能重新配置，因此早期FPGA常作為定制化ASIC領域的半定制電路出現，被業內認為是構建原型和開發設計的較快推進的路徑之一。

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。

各大應用領域占比整體保持穩定，數據中心更具增長動力。根據Xilinx財報，2019-2021年下游應用占比格局幾乎未發生大規模變動，其中數據中心營收占比分別為7%、9%、10%，相較于其他領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業務在數據中心領域大放異彩，成為其業績增長的有力助推。AMD對FPGA龍頭Xilinx的收購大大推動其嵌入式部門和數據中心的業績增長，兩部門產品營收從2021年的39億美元增長至2022年的106億美元；IntelFPGA業務助推DCAI部門（DataCenterandAIGroup，數據中心和人工智能事業部）實現14%的營收增長。

FPGA在數據中心領域未來有望占據更多市場份額。英特爾中國研究院院長宋繼強曾表示，2020年CPU+FPGA異構計算將占據云數據中心市場的1/3。據Semico研究公司預測，全球數據中心加速器（包括CPU、GPU、FPGA和ASIC）市場規模將從2018年的28.4億美元增長到2023年的211.9億美元，年復合增長率高達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，其增長驅動力主要來自企業級數據負載加速應用。

FPGA芯片在數據中心領域主要用于硬件加速，在云服務器廠商中已有廣泛部署。數據中心使用FPGA芯片代替傳統的CPU方案后，處理其自定義算法時可實現顯著的加速效果。因此近年來，微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務器上都開始部署FPGA加速器用于運算加速。在云計算大面積應用的背景下，未來數據中心對芯片性能的要求將進一步提高，更多數據中心將采納FPGA芯片方案，這將提高FPGA芯片在數據中心芯片中的價值占比。

全球范圍內FPGA產業的興起與發展可分為兩個階段。

（1）第一階段是20世紀80年代開始的創業潮與行業壟斷化。Lattice、Altera、Xilinx和Actel在1983~1985年陸續成立，并迅速成長為FPGA行業四大龍頭；2010年后Xilinx和Altera已經占據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的行業洗牌。隨著半導體行業對FPGA的重視加大，Microchip、Intel和AMD等半導體龍頭紛紛下場收購與整合FPGA業務，尤其是Xilinx和Altera分別與母公司AMD和Intel形成CPU+FPGA的集合優勢，戰略部署數據中心應用。中國FPGA產業起步和發展較晚。復旦微電子自2004年開始進行FPGA研發，布局相對較早，安路科技和紫光同創也于2011和2013年相繼成立。

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