FPGA芯片下游應用廣泛，人工智能或成為重要驅動因素

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

FPGA（Field-Programmable Gate Array）名為現場可編程門陣列，在1985年由賽靈思創始人RossFreeman發明，是在硅片上預先設計實現的具有可編程特性的集成電路。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。

FPGA的內部結構主要包括：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實現可編程的基礎，可編程連線的布局布線設計則是FPGA廠商的核心技術。可編程邏輯塊負責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。可編程連線負責以一種滿足時序的約束方式聯通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的內部具體架構，是FPGA設計公司的核心機密技術，僅在公司內部EDA上進行。可編程I/O負責和外界的交互，主要包括：IOB模塊及緊鄰的IO邏輯資源。

根據中研網《2024-2029年中國FPGA芯片行業市場發展現狀調研及投資前景預測研究報告》資料顯示，FPGA市場為百億量級，預計國內市場未來3年內年均復合增長率高于全球平均。根據Frost&Sullivan數據統計，全球FPGA市場規模將從2016年的約43.4億美元增長至2020年約60.8億美元，年均復合增長率約為8.8%。預計未來全球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%。受到國產替代需求的推動，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，年均復合增長率約為23.1%。預計到2025年，中國FPGA市場規模將達到約332.2億元，2021至2025年年均復合增長率將達到17.1%。

圖表：全球FPGA市場規模

數據來源：Frost&Sullivan

圖表：中國FPGA市場規模

數據來源：Frost&Sullivan

（一）人工智能領域

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，FPGA與GPU相比，FPGA具備明顯的能效優勢，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神經網絡演進的速度較快，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應用和算法層出不窮，對訓練和推斷任務的系統需求也不盡相同。這樣一來，就急需擁有強大處理能力、有極強靈活性的硬件，以滿足AI應用的需求。而FPGA恰恰由于其可以動態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，如果具體的應用場景或算法發展得太快，或者硬件規模太小，以致開發和使用ASIC的成本過于高昂時，也可以繼續使用FPGA作為實現平臺。（對客戶而言，由于FPGA方案無需支付高額的流片成本，也不用承擔流片失敗風險，對于小批量多批次的專用控制設備，FPGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本優勢。）當應用規模逐漸擴大時，就可以在合適的時機，選擇將這些已經成熟的定制化硬件設計直接轉化成定制化芯片，以提高它們的穩定性，并降低功耗和平均成本。

在國內外生成式預訓練語言類大模型陸續發布的大背景下，FPGA市場將受到較高更快拉動。根據SemicoResearch的數據，人工智能領域的FPGA全球市場規模2023年有望達52億美元，五年復合增速有望達38.4%。國內方面，根據Frost&Sullivan數據，2020年應用于該領域的FPGA芯片中國銷售額將達到5.8億元，占中國FPGA芯片市場份額的3.9%，2021年至2025年年均復合增長率將達到16.9%。2022年11月以來，隨著Chatgpt-3&4、“文心一言”、“盤古大模型”等國內外語言類大模型陸續發布及開放測試，對AI芯片市場預計將產生較強拉動。其中，FPGA由于其在人工智能領域處理效率及靈活性方面的顯著優勢，將優先受益于AI芯片市場增長。

（二）數據中心領域

FPGA相比ASIC，FPGA芯片在性能、靈活性、同構性、成本和功耗等五個方面可以達到出色的平衡。相比于CPU，FPGA芯片由于其無指令、無需共享內存的體系結構，能夠同時提供強大的計算能力和足夠的靈活性；相比GPU，FPGA芯片在數據中心領域具有低延遲及高吞吐的優勢。

FPGA芯片在數據中心領域主要用于硬件加速，并被廣泛應用于2016年后發布的云計算模型中。由于數據中心使用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，從而后續在微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務器中，FPGA芯片都得到了廣泛部署。因此在云計算大面積應用的背景下，未來隨著數據中心對芯片性能的要求將進一步提高，預計更多數據中心將采納FPGA芯片方案。根據Frost&Sullivan數據顯示，2020年應用于數據中心領域的FPGA芯片中國銷售額將達到16.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的10.7%，2021年至2025年年均復合增長率將達到16.6%。

（三）通信領域（5G）

FPGA由于其具有可編程的靈活性以及低延時性，在通訊協議經常變化和升級的情況下具有獨特優勢。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（大規模天線整列）技術、云RAN、新的基帶和RF架構等5G關鍵技術，擁有較長的迭代升級過程和較大的技術不確定性。這使得市場很難快速推出成熟的5GASIC芯片，從而為FPGA在5G領域的運用提供了較長的時間窗口。因此，在整個5G系統方案穩定運行前，FPGA是更加理想的解決方案。

FPGA在通信領域的市場規模將隨著5G基站建設數量、單基站FPGA用量及芯片單價的提高而增長。根據MarketResearchFuture的數據，2018年電子通訊領域FPGA全球市場規模達25億美元左右，約占FPGA全球總市場規模的40%。其中國內方面，根據Frost&Sullivan數據顯示2020年應用于該領域的FPGA芯片中國銷售額將達到62.1億元，占中國FPGA芯片市場份額的41.3%，2021年至2025年年均復合增長率將達到17.5%。增長主要來源于5G基站數量的增長及單基站FPGA用量的提高。數量方面，據工業信息部統計，到2023年2月我國5G基站總數達238.4，較2022年末凈增7.21萬個。預計到“十四五”末，將需要建成360萬個5G基站（每萬人26個），2022-2025復合增長率為15%。單基站用量方面，FPGA數量有望從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擴容。單價方面，由于FPGA主要用在收發器的基帶中，5G時代由于通道數的增加，計算復雜度增加，所用FPGA的規模將增加，由于FPGA的定價與片上資源正相關，未來單價有望進一步提高。

（四）特種集成電路領域

FPGA由于其具有可靠性高、布線復雜度低及后期設計修改靈活性高的特點被廣泛應用于特種集成電路領域。可靠性高即經過特殊處理的FPGA芯片在特殊環境中可以適應高溫、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；后期設計靈活則有利于根據需要調整或擴展功能。特種集成電路領域引用場景惡劣，需要芯片在特殊溫度、濕度、壓力及安全等環境下保持性能，同時特種領域同一批次需求量相對較小，因而經特殊處理的FPGA芯片在此應用領域具有較強性價比。

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