FPGA 的结构图及优势分析

FPGA芯片灵活性高、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。

FPGA 名为现场可编程门阵列，是一种硬件可重构的集成电路芯片，现场可编程性是FPGA的最大特点。

FPGA 由可编程的逻辑单元(Logic Cell)、和外部进行信号交互的输入输出单元(Input Output Block)与连接前两种元素的开关连线阵列(Switch Box)共三个部分构成。从产品发展角度，先进工艺(制程)、先进封装可以提升FPGA容量，而同工艺下优化基础单元LC的设计及其他系统设计可以提升FPGA的性能，同时软件的持续优化、丰富的软核IP库也是不同厂商竞争力高低的体现。

FPGA 的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于 SRAM 技术、基于反熔丝技术、基于 EEPROM/Flash 技术。就电路结构来讲，FPGA 可编程是指三个方面的可编程：可编程逻辑块、可编程 I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是 FPGA 可编程的核心.

FPGA 的结构图如下图所示：

(FPGA结构图)

01 FPGA优势所在

随着传统产业的升级迭代、新兴产业的快速发展，信息数据的规模呈指数级增长，集成电路下游应用场景不断丰富。而在摩尔定律的发展规则下，现阶段集成电路性能提升速度已无法满足数据增长对计算性能需求的增长速度。因此在芯片材料等基础技术未取得突破前，一种有效的解决方法就是采用专用“CPU+协处理器”来提升处理性能。

现有的协处理器主要有FPGA、GPU和ASIC专用芯片，其中,FPGA芯片由于其独特的架构拥有其他协处理器无法比拟的优势：

①灵活性：在数据密集型任务的执行中，ASIC专用芯片作为协处理器在吞吐量、延迟和功耗三方面具有优势，GPU在峰值性能和内存接口带宽上具有优势，但ASIC和GPU受制于功能的固化，应用范围较为狭窄。 相较于ASIC专用芯片和GPU，FPGA芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，在5G 初期这种特性尤为重要。通过对FPGA编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。 此外，FPGA还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益，如白天用于搜索业务排序的处理器，晚上工作量较少的情况下，可将其中FPGA重新配置成离线数据分析的模块，提供离线数据分析服务，提升设备利用率。

②并行性：CPU、GPU都属于冯·诺依曼结构，该结构具有软件编程的顺序特性。在执行任务时，执行单元需按顺序通过取指、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，且多方共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而FPGA是典型的硬件逻辑，每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程（烧写）时就已经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑，无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU等优势明显。

③用量较小时的成本优势：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案几乎没有。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。 综上，FPGA不仅拥有软件的可编程性和灵活性，还兼具硬件的并行性和低延时性，在上市周期、成本上也具有优势。因此，在5G通信、人工智能等具有较频繁的迭代升级周期、较大的技术不确定性的领域，FPGA是较为理想的解决方案。

02 FPGA市场现状

近年来，数据中心建设、人工智能和自动驾驶等新兴市场的加速发展，带动了FPGA需求持续增长。根据Market Research Future预测，FPGA 全球市场规模在 2025 年有望达到约 125.21 亿美元。  

资料源自Market Research Future  

从下游应用市场角度来看，FPGA芯片下游涉及通信、工业、军工/航天、汽车和数据中心等领域，其中通信市场占比最高，且有望持续提升，而在以上领域中，汽车预计增速最快。 从上游提供商来看，FPGA行业集中度较高，根据Gartner数据，Xilinx、Intel、Lattice、Microchip 这4家美国公司共占据全球93%市场份额，国内FPGA厂商在2021年占据国内16%市场份额，国产替代空间广阔。

国内 FPGA 厂商以复旦微、紫光同创、安路科技等为代表。国内厂商在技术水平、成本控制能力、软件易用性等方面都与头部 FPGA 厂商存在较大的差距，市场份额较小，在 FPGA 这一重要领域实现国产替代具有紧迫性和必要性。以复旦微为例，复旦微目前已率先采用 28nm 工艺制程实现了亿门级 FPGA 芯片的量产出货；但与赛灵思等国际领先厂商相比，仍然存在一定的差距。

03 总结

综上所述，无论是具有不断迭代新增需求的民用市场，还是出于国家安全考量，只要是有极大自主可控需求的特种市场，FPGA都有较好的国产替代前景，国内FPGA厂商成长空间广阔。 而随着我国集成电路设计产业在 FPGA 领域不断加大研发投入和人才培养力度，未来国产 FPGA 企业将有望缩小与国际先进水平的差距，并在行业整体规模上升与进口替代加速的双轮驱动下，实现业绩和规模的进一步增长 。

编辑：黄飞