FPGA芯片行业发展概况

• 邱晨阳 2023年3月6日 来源：中研网 711 42
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FPGA芯片因为其现场可编程的灵活性和不断提升的电路性能，下游应用领域非常丰富，包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等领域，这些领域需求增长明确，发展空间广阔。

1)FPGA芯片概况

FPGA芯片属于逻辑芯片大类。逻辑芯片按功能可分为四大类芯片：通用处理器芯片(包含中央处理芯片CPU、图形处理芯片GPU，数字信号处理芯片DSP等)、存储器芯片(Memory)、专用集成电路芯片(ASIC)和现场可编程逻辑阵列芯片(FPGA)。与其他三类集成电路相比，FPGA芯片的最大特点是现场可编程性。无论是CPU、GPU、DSP、Memory还是各类ASIC芯片，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用户无法对其硬件功能进行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用户可以根据自己的实际需要，将自己设计的电路通过FPGA芯片公司提供的专用EDA软件对FPGA芯片进行功能配置，从而将空白的FPGA芯片转化为具有特定功能的集成电路芯片。每颗FPGA芯片均可以进行多次不同功能配置，从而实现不同的功能。因此，就FPGA芯片公司而言，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。与其他三类集成电路相比，FPGA芯片产品于20世纪80年代中期面世，发展历史相对较短。早期的FPGA芯片由于设计、制造难度较大、价格昂贵且性能远远落后于专用集成电路，因此应用比较有限，一般被集成电路设计公司或者研究机构用于产品原型的验证。随着FPGA技术本身的飞速发展，以及半导体制造工艺的不断演进，当前FPGA的价格和性能已经能够和专用集成电路竞争，又由于其可反复改写的灵活性，全球FPGA产业在2000年以后有了大幅度的成长。2022年，全球FPGA的年销售额已超过65亿美元。预计到2025年，全球FPGA市场将超过120亿美元。

2)FPGA芯片的主要应用场景

FPGA芯片是通过现场编程实现任意电路功能的通用集成电路芯片，芯片出厂时没有特定的功能，通过FPGA专用EDA软件现场对硬件进行编程就可以实现具体用户需要的功能。FPGA芯片因为其现场可编程的灵活性和不断提升的电路性能，下游应用领域非常丰富，包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等领域，这些领域需求增长明确，发展空间广阔。

(2)FPGA芯片市场概况

FPGA芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场，根据Frost&Sullivan数据，从2016年的约43.4亿美元增长至2020年约60.8亿美元，年均复合增长率约为8.8%。未来，随着全球新一代通信设备部署以及人工智能与自动驾驶技术等新兴市场领域需求的不断增长，FPGA市场规模预计将持续提高。根据Frost&Sullivan数据统计，预计全球FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%。

近几年中国FPGA市场持续扩大增长，中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2022年的约170.3亿元。随着国产替代进程的进一步加速，中国FPGA市场需求量有望持续扩大。预计到2025年，中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元。

工业领域是FPGA芯片的主要应用市场之一，2022年应用于该领域的FPGA芯片中国市场销售额将达到53.4亿元，占中国FPGA芯片市场份额的31.5%，2023年至2025年年均复合增长率将达到16.1%。FPGA芯片在工业领域应用非常广泛，大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域实现信号控制和运算加速功能。随着智能化与自动化技术的发展，工业领域也正逐渐从以人力资源为核心要素转向以自动化为核心要素的智能化无人工厂。受益于工业智能化、无人化的发展趋势，FPGA芯片高效能、实时性、高灵活性的特点使其在工业领域得到了广泛应用。以数控机床的伺服系统为例，相较传统的只能控制单一马达的专用芯片，FPGA芯片可以做到多通道的马达控制。

目前驱动马达所消耗的电力占据了全球能源消耗的很大部分，在节能环保的趋势下，未来各类能够精准控制马达并可以在单一芯片上实现控制多个马达的FPGA芯片将在工业控制领域得到更多应用。此外，FPGA芯片的优势也使其在LED显示屏领域得到了广泛的应用。LED显示屏控制系统是一个融合计算机控制技术、视频技术、光电子技术、通信技术的综合系统。当前主流的LED显示屏控制系统多以FPGA芯片或FPGA芯片结合其他芯片做为主控芯片。FPGA芯片的现场可编程特性可满足大型LED显示屏系统显示数据格式转换的需求，以满足各种形状和规格显示屏的定制，也可满足其需要进行亮度、对比度、灰度级等参数灵活调节的需求，使LED显示屏得到更加细腻的显示画面。最后，集成嵌入式CPU的现场可编程系统级芯片将软件编程控制、硬件编程控制、硬件并行运算的功能整合到单芯片中，具有很大的灵活性和高度的集成性，已经展现出强大的设计优势，为单芯片解决工业应用中多种需求提供了更好的系统方案，可以完成智能制造、智慧医疗、安防监控、电力控制、轨交控制等应用中从简单到复杂的各种控制和计算功能。

FPGA芯片目前被大量应用在无线通信和有线通信设备中，实现接口扩展、逻辑控制、数据处理、单芯片系统等各种功能。在有线通信领域，FPGA芯片被应用于数据接入、传送、路由器、交换机的多种电路板中，以实现信号控制、传输加速等各种功能。在无线通信领域，FPGA芯片被应用在无线通信基站和射频处理单元的多种电路板中，以实现通信协议的各种功能和未来升级需求，集成CPU的现场可编程系统级芯片产品被应用在室外微基站、室内微基站等无线网络通信中，以单芯片完成商业、住宅、工厂区域的多模覆盖、网络容量增加、人工智能计算等多样性功能需求。在网络通信领域，FPGA芯片得到大规模运用主要是由于其具有高度的灵活性、极强的实时处理和并行处理能力，大大加强了通信设备的处理能力。在无线通信系统中，许多功能模块通常都需要大量的滤波运算，这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片内在的分布式逻辑和运算单元结构使其可以较容易地实现分布式的算法结构，因此可以有效地实现这些乘和累加操作，使其可以实现通信过程中大量的高速数字信号处理功能。相较于其他类型芯片，FPGA芯片一方面依靠其运算速度可以有效满足通信领域高速的通信协议处理需求，另一方面又可依靠其灵活性以适应通信协议持续迭代的特点。此外，FPGA芯片对于复杂信号、多维信号的处理能力较强，可较好适应日益复杂的网络环境。基于以上特点，FPGA芯片已被大规模应用于通信领域。

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