FPGA芯片下游应用广泛，人工智能或成为重要驱动因素

• 柯壮宾 2024年1月19日 来源：中研网 749 45
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FPGA（Field-Programmable Gate Array）名为现场可编程门阵列，在1985年由赛灵思创始人RossFreeman发明，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路。通俗意义上讲，FPGA芯片类似于集成电路中的积木，用户可根据各自的需求和想法，将其拼搭成不同的功能、特性

FPGA（Field-Programmable Gate Array）名为现场可编程门阵列，在1985年由赛灵思创始人RossFreeman发明，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路。通俗意义上讲，FPGA芯片类似于集成电路中的积木，用户可根据各自的需求和想法，将其拼搭成不同的功能、特性的电路结构，以满足不同场景的应用需求。鉴于上述特性，FPGA芯片又被称作“万能”芯片。

FPGA的内部结构主要包括：可编程逻辑块、可编程连线和可编程I/O，其中可编程逻辑块中的LUT是FPGA实现可编程的基础，可编程连线的布局布线设计则是FPGA厂商的核心技术。可编程逻辑块负责承载主要的电路功能，主要包括LUT（查找表look-uptable）、MUX和寄存器。其中，LUT和寄存器是可编程逻辑块中最重要的“积木”，是可编程作用的核心单元。可编程连线负责以一种满足时序的约束方式联通FPGA中各个逻辑块，主要包括映射、包装和布局布线三个核心步骤。其中，布局布线涉及到FPGA的内部具体架构，是FPGA设计公司的核心机密技术，仅在公司内部EDA上进行。可编程I/O负责和外界的交互，主要包括：IOB模块及紧邻的IO逻辑资源。

根据中研网《2024-2029年中国FPGA芯片行业市场发展现状调研及投资前景预测研究报告》资料显示，FPGA市场为百亿量级，预计国内市场未来3年内年均复合增长率高于全球平均。根据Frost&Sullivan数据统计，全球FPGA市场规模将从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%。预计未来全球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%。受到国产替代需求的推动，中国FPGA市场增速高于全球平均。中国的FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至2020年的约150.3亿元，年均复合增长率约为23.1%。预计到2025年，中国FPGA市场规模将达到约332.2亿元，2021至2025年年均复合增长率将达到17.1%。

图表：全球FPGA市场规模

数据来源：Frost&Sullivan

图表：中国FPGA市场规模

数据来源：Frost&Sullivan

（一）人工智能领域

FPGA由于其可以更好的平衡处理效率及灵活性，可以更好兼顾AI对。从性能的角度看，FPGA与GPU相比，FPGA具备明显的能效优势，即相同性能下FPGA的单位能耗更低；与ASIC相比，ASIC的灵活性不足，而AI神经网络演进的速度较快，ASIC无法跟上算法的迭代更新。具体来说，一方面，AI应用对硬件平台的算力提出了极高的需求，又同时要求硬件架构兼顾高能效、低延时、高吞吐、可伸缩等一系列特性。另一方面，AI应用和算法层出不穷，对训练和推断任务的系统需求也不尽相同。这样一来，就急需拥有强大处理能力、有极强灵活性的硬件，以满足AI应用的需求。而FPGA恰恰由于其可以动态的改变不同模块的运行功能，从而有更高的并行灵活性及处理效率。从成本的角度看，如果具体的应用场景或算法发展得太快，或者硬件规模太小，以致开发和使用ASIC的成本过于高昂时，也可以继续使用FPGA作为实现平台。（对客户而言，由于FPGA方案无需支付高额的流片成本，也不用承担流片失败风险，对于小批量多批次的专用控制设备，FPGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本优势。）当应用规模逐渐扩大时，就可以在合适的时机，选择将这些已经成熟的定制化硬件设计直接转化成定制化芯片，以提高它们的稳定性，并降低功耗和平均成本。

在国内外生成式预训练语言类大模型陆续发布的大背景下，FPGA市场将受到较高更快拉动。根据SemicoResearch的数据，人工智能领域的FPGA全球市场规模2023年有望达52亿美元，五年复合增速有望达38.4%。国内方面，根据Frost&Sullivan数据，2020年应用于该领域的FPGA芯片中国销售额将达到5.8亿元，占中国FPGA芯片市场份额的3.9%，2021年至2025年年均复合增长率将达到16.9%。2022年11月以来，随着Chatgpt-3&4、“文心一言”、“盘古大模型”等国内外语言类大模型陆续发布及开放测试，对AI芯片市场预计将产生较强拉动。其中，FPGA由于其在人工智能领域处理效率及灵活性方面的显著优势，将优先受益于AI芯片市场增长。

（二）数据中心领域

FPGA相比ASIC，FPGA芯片在性能、灵活性、同构性、成本和功耗等五个方面可以达到出色的平衡。相比于CPU，FPGA芯片由于其无指令、无需共享内存的体系结构，能够同时提供强大的计算能力和足够的灵活性；相比GPU，FPGA芯片在数据中心领域具有低延迟及高吞吐的优势。

FPGA芯片在数据中心领域主要用于硬件加速，并被广泛应用于2016年后发布的云计算模型中。由于数据中心使用FPGA芯片代替传统的CPU方案后，处理其自定义算法时可实现显著的加速效果，从而后续在微软Azure、亚马逊AWS、阿里云的服务器中，FPGA芯片都得到了广泛部署。因此在云计算大面积应用的背景下，未来随着数据中心对芯片性能的要求将进一步提高，预计更多数据中心将采纳FPGA芯片方案。根据Frost&Sullivan数据显示，2020年应用于数据中心领域的FPGA芯片中国销售额将达到16.1亿元，占中国FPGA芯片市场份额的10.7%，2021年至2025年年均复合增长率将达到16.6%。

（三）通信领域（5G）

FPGA由于其具有可编程的灵活性以及低延时性，在通讯协议经常变化和升级的情况下具有独特优势。由于5G通讯对基站射频芯片的连接速度、低延时、连接密度、频谱带宽的要求更高，且新增MassiveMIMO（大规模天线整列）技术、云RAN、新的基带和RF架构等5G关键技术，拥有较长的迭代升级过程和较大的技术不确定性。这使得市场很难快速推出成熟的5GASIC芯片，从而为FPGA在5G领域的运用提供了较长的时间窗口。因此，在整个5G系统方案稳定运行前，FPGA是更加理想的解决方案。

FPGA在通信领域的市场规模将随着5G基站建设数量、单基站FPGA用量及芯片单价的提高而增长。根据MarketResearchFuture的数据，2018年电子通讯领域FPGA全球市场规模达25亿美元左右，约占FPGA全球总市场规模的40%。其中国内方面，根据Frost&Sullivan数据显示2020年应用于该领域的FPGA芯片中国销售额将达到62.1亿元，占中国FPGA芯片市场份额的41.3%，2021年至2025年年均复合增长率将达到17.5%。增长主要来源于5G基站数量的增长及单基站FPGA用量的提高。数量方面，据工业信息部统计，到2023年2月我国5G基站总数达238.4，较2022年末净增7.21万个。预计到“十四五”末，将需要建成360万个5G基站（每万人26个），2022-2025复合增长率为15%。单基站用量方面，FPGA数量有望从4G基站的2-3块增长至5G基站的4-5块，带动通信市场中的FPGA扩容。单价方面，由于FPGA主要用在收发器的基带中，5G时代由于通道数的增加，计算复杂度增加，所用FPGA的规模将增加，由于FPGA的定价与片上资源正相关，未来单价有望进一步提高。

（四）特种集成电路领域

FPGA由于其具有可靠性高、布线复杂度低及后期设计修改灵活性高的特点被广泛应用于特种集成电路领域。可靠性高即经过特殊处理的FPGA芯片在特殊环境中可以适应高温、高压等恶劣条件；布线简单则可以减少在电路高频率运行时带来的电磁干扰，保证电路性能；后期设计灵活则有利于根据需要调整或扩展功能。特种集成电路领域引用场景恶劣，需要芯片在特殊温度、湿度、压力及安全等环境下保持性能，同时特种领域同一批次需求量相对较小，因而经特殊处理的FPGA芯片在此应用领域具有较强性价比。

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