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特邀作者：贾亚玲
成都电子科技大学 微电子学院
由于5G渗透率提升、AI智能推进以及汽车智能化的不断演进，近年来FPGA芯片市场需求强劲。
FPGA 中文全称为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array），是逻辑芯片的一种，逻辑芯片还包括 CPU、GPU、DSP 等通用处理器芯片，以及专用集成电路芯片 ASIC。
与主流芯片（CPU、GPU、ASIC）的对比，优势何在？
FPGA 和 CPU、GPU、ASIC 的等核心区别在于，其他类别逻辑芯片，像 ASIC、CPU 和 GPU 等，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用户无法对其硬件功能进行任何修改，而FPGA芯片的底层逻辑运算单元的连线及逻辑布局未固化，用户可通过 EDA 软件对逻辑单元和开关阵列编程，进行功能配置，从而去实现特定功能的集成电路芯片，因此也适用于底层算法需要持续更迭的运算领域，例如人工智能算法优化。同时，这也意味着FPGA 芯片公司不仅需要提供芯片，还需要提供 FPGA 专用 EDA 软件来对芯片进行配置。所以 FPGA 芯片公司不仅仅是集成电路设计企业，还必须是集成电路 EDA 软件企业。
由于5G渗透率提升、AI智能推进以及汽车智能化的不断演进，近年来FPGA芯片市场需求强劲。
海内外FPGA市场竞争格局
全球FPGA 市场规模不断扩大，中国市场增速更是快于全球。
FPGA下游应用市场广泛，随着5G技术的提升、AI的推进以及汽车自动化趋势的演进，全球FPGA市场规模将稳步增长。Frost&Sullivan，预计全球 FPGA需求将从2021年 68.6 亿美元增长为2025年125.8亿美元，年均复合增长率约为 16.4%。
全球 FPGA 市场规模
中国市场增速更是快于全球。随着国产替代进程的进一步加速，近年来，中国 FPGA 芯片市场规模持续上升，从2016 年的 65.5 亿元增长至 2020 年的 150.3 亿元，年复合增长率达 23.1%。据预测，至 2025 年中国 FPGA 市场规模将进一步提升至 332.2 亿元，2021-2025 年的复合增长率为 17.1%，高于全球 FPGA 市场的 10.85%。
中国 FPGA 市场规模
FPGA 芯片国外起步较早，技术积累深厚，高度垄断市场。
在全球FPGA 市场中，主要被Xilinx（已被AMD收购）和Intel两家海外企业双寡头垄断，在2019年，两家合计占据了全球市场份额的85%以上。由于技术壁垒高、更新换代速度快，全球 FPGA 市场高度集中，国内厂商占比较低。
2019 年全球 FPGA 市场竞争格局
国内 FPGA 市场起步较晚，技术层面仍存在较大差距。
目前Xilinx、Intel、Lattice三家供应商占据中国约80%FPGA市场份额。尽管国外厂商占比仍然较高，在国产化趋势下，但国内厂商有所突破，中国FPGA市场的成长将助力国内企业占据市场份额。
国内FPGA市场起步较晚，相关技术人员匮乏，主要面向低密度市场扩展自身份额，逐步实现国产替代。虽然国内FPGA厂商有百家争鸣之势，但基本分布在中低端市场，大多是一些1000万门级左右的FPGA，少数达到2000万门级的FPGA虽然也有自主研发的，有一些是逆向工程的产物，或商业收购的结果。从技术水平上看，国内厂商与国际龙头仍存在较大差距。
但随着国内企业加大研发布局，其设计能力已有较大提升，如复旦微 28nm 制程亿门级 FPGA 芯片已实现量产出货；安路科技 28nm产品已正式量产，FinFET 工艺产品已开展预研。随着国内企业的进一步研发，有望逐步缩小与国际先进水平的差距，在国产化趋势下扩大国内市场份额。
FPGA 芯片最大的特点是可编程性，可通过改变芯片内部连接结构，实现任何逻辑功能。其应用领域最初为通信领域，但目前，随着信息产业和微电子技术的发展，可编程逻辑嵌入式系统设计技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围遍及人工智能、数据中心、医疗、通讯、5G、安防、汽车电子、工业等多个热门领域。并随着工艺的进步和技术的发展，向更多、更广泛的应用领域扩展。越来越多的设计也开始以ASIC转向FPGA，FPGA正以各种电子产品的形式进入我们日常生活的各个角落。
随着应用场景对FPGA的需求持续提升，再加上5G、人工智能、大数据、自动驾驶、物联网的发展推动中国FPGA市场扩张，刺激增量需求释放，从行业发展趋势来看，FPGA潜力被严重低估，未来大有可为。
对于人工智能而言，算法正处于快速迭代中。虽然ASIC芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低；但是AISC开发风险极大，需要有足够大的市场来保证成本价格，而且从研发到市场的周期很长，不适合例如深度学习、CNN等算法正在快速迭代的领域。FPGA正好能适用于人工智能领域，满足高速并行计算的需求，基于全球人工智能市场大热，这也刺激了FPGA的市场，有利于FPGA产业的发展。
FPGA未来发展的五个方向
(1)基于FPGA的嵌入式系统（SOPC）技术
System on Chip（SoC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SOPC技术是Soc技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案，而英特尔提供的是基于NIOSII的软核解决方案。
(2)基于IP库的设计方法
未来的FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多，商业化的IP库种类会越来越全面，支持的FPGA器件也会越来广泛。作为FPGA的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是通过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计的正确性。
(3)FPGA的动态可重构技术
FPGA动态重构技术主要是指对于特定结构的FPGA芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。
由于密度不断提高，FPGA能实现的功能也越来越复杂。FPGA全部逻辑配置一次的需要的时间也变长了，降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高了配置的效率。
(4)CPU+FPGA用于云数据中心
目前，图片处理的需求正在快速成长，即源于用户生成内容、视频图片抓取等方式的图片缩略图生成，像素处理，图片转码、智能分析处理需求不断增加。众多应用迫切需要高性能，高性价比的图片处理解决方案。在这种情况下，数据中心面临着一个核心的考验 —— 即用户体验与服务成本之间的平衡。总地来说，目前存在的纯CPU处理方案，TCO（服务器、电费、带宽、场地人员、成本）相对高昂，用户体验也相对较差。基于 FPGA+CPU 异构计算的解决方案，通过高性能 FPGA 分担 CPU 处理任务，提升吞吐性能，降低延迟，实现成本节约与能效比的提升。将CPU+FPGA用于云数据中心，应用在信息高度敏感的领域，使用自主设计的芯片更能实现安全可控。
(5)FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展
随着芯片生产工艺不断提高，FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。早期的FPGA主要是完成接口逻辑设计，比如AD/DA和DSP的粘合逻辑。现在的FPGA正在成为电路的核心部件，完成关键功能。
在高性能计算和高吞吐量1/0应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。
随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显的效果。
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