FPGA芯片靈活性高、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。

FPGA 名為現場可編程門陣列，是一種硬件可重構的集成電路芯片，現場可編程性是FPGA的最大特點。

FPGA 由可編程的邏輯單元(Logic Cell)、和外部進行信號交互的輸入輸出單元(Input Output Block)與連接前兩種元素的開關連線陣列(Switch Box)共三個部分構成。從產品發展角度，先進工藝(制程)、先進封裝可以提升FPGA容量，而同工藝下優化基礎單元LC的設計及其他系統設計可以提升FPGA的性能，同時軟件的持續優化、豐富的軟核IP庫也是不同廠商競爭力高低的體現。

FPGA 的類型從內部實現機理來講，可以分為基于 SRAM 技術、基于反熔絲技術、基于 EEPROM/Flash 技術。就電路結構來講，FPGA 可編程是指三個方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心.

FPGA 的結構圖如下圖所示：

(FPGA結構圖)

01 FPGA優勢所在

隨著傳統產業的升級迭代、新興產業的快速發展，信息數據的規模呈指數級增長，集成電路下游應用場景不斷豐富。而在摩爾定律的發展規則下，現階段集成電路性能提升速度已無法滿足數據增長對計算性能需求的增長速度。因此在芯片材料等基礎技術未取得突破前，一種有效的解決方法就是采用專用“CPU+協處理器”來提升處理性能。

現有的協處理器主要有FPGA、GPU和ASIC專用芯片，其中,FPGA芯片由于其獨特的架構擁有其他協處理器無法比擬的優勢：

①靈活性：在數據密集型任務的執行中，ASIC專用芯片作為協處理器在吞吐量、延遲和功耗三方面具有優勢，GPU在峰值性能和內存接口帶寬上具有優勢，但ASIC和GPU受制于功能的固化，應用范圍較為狹窄。 相較于ASIC專用芯片和GPU，FPGA芯片擁有更高的靈活性和更豐富的選擇性，在5G 初期這種特性尤為重要。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。 此外，FPGA還可在不同的業務需求之間靈活調配，以放大經濟效益，如白天用于搜索業務排序的處理器，晚上工作量較少的情況下，可將其中FPGA重新配置成離線數據分析的模塊，提供離線數據分析服務，提升設備利用率。

②并行性：CPU、GPU都屬于馮·諾依曼結構，該結構具有軟件編程的順序特性。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是典型的硬件邏輯，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。

③用量較小時的成本優勢：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案幾乎沒有。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。 綜上，FPGA不僅擁有軟件的可編程性和靈活性，還兼具硬件的并行性和低延時性，在上市周期、成本上也具有優勢。因此，在5G通信、人工智能等具有較頻繁的迭代升級周期、較大的技術不確定性的領域，FPGA是較為理想的解決方案。

02 FPGA市場現狀

近年來，數據中心建設、人工智能和自動駕駛等新興市場的加速發展，帶動了FPGA需求持續增長。根據Market Research Future預測，FPGA 全球市場規模在 2025 年有望達到約 125.21 億美元。 ?

資料源自Market Research Future ?

從下游應用市場角度來看，FPGA芯片下游涉及通信、工業、軍工/航天、汽車和數據中心等領域，其中通信市場占比最高，且有望持續提升，而在以上領域中，汽車預計增速最快。 從上游提供商來看，FPGA行業集中度較高，根據Gartner數據，Xilinx、Intel、Lattice、Microchip 這4家美國公司共占據全球93%市場份額，國內FPGA廠商在2021年占據國內16%市場份額，國產替代空間廣闊。

國內 FPGA 廠商以復旦微、紫光同創、安路科技等為代表。國內廠商在技術水平、成本控制能力、軟件易用性等方面都與頭部 FPGA 廠商存在較大的差距，市場份額較小，在 FPGA 這一重要領域實現國產替代具有緊迫性和必要性。以復旦微為例，復旦微目前已率先采用 28nm 工藝制程實現了億門級 FPGA 芯片的量產出貨；但與賽靈思等國際領先廠商相比，仍然存在一定的差距。

03 總結

綜上所述，無論是具有不斷迭代新增需求的民用市場，還是出于國家安全考量，只要是有極大自主可控需求的特種市場，FPGA都有較好的國產替代前景，國內FPGA廠商成長空間廣闊。 而隨著我國集成電路設計產業在 FPGA 領域不斷加大研發投入和人才培養力度，未來國產 FPGA 企業將有望縮小與國際先進水平的差距，并在行業整體規模上升與進口替代加速的雙輪驅動下，實現業績和規模的進一步增長?。

編輯：黃飛

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