FPGA（FieldProgrammableGateArray,，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）是一種可通過重新編程來實(shí)現(xiàn)用戶所需邏輯電路的半導(dǎo)體器件,。
FPGA 硬件三大指標(biāo)：制程、門級數(shù)及 SERDES 速率,，配套 EDA 軟件工具同樣重要,。比較 FPGA 產(chǎn)品可以從技術(shù)指標(biāo)入手。從 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）,、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時(shí)鐘管理（CMT）,、嵌入塊式 RAM（BRAM）,、布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等,。
FPGA在專用ASIC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,，不但繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),，同時(shí)克服了一般ASIC設(shè)計(jì)周期長、投資大,、靈活性差等缺點(diǎn),，是復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的首選。
相對于ASIC,，F(xiàn)PGA具有3點(diǎn)優(yōu)勢：
1,、可編輯，更靈活
2,、產(chǎn)品上市時(shí)間短,，節(jié)省了 ASIC 流片周期
3、避免一次性工程費(fèi)用,，用量較小時(shí)具有成本優(yōu)勢,。
1）靈活性：通過對 FPGA 編程，F(xiàn)PGA 能夠執(zhí)行 ASIC 能夠執(zhí)行的任何邏輯功能,。FPGA 的獨(dú)特優(yōu)勢在于其靈活性,，即隨時(shí)可以改變芯片功能，在技術(shù)還未成熟的階段,，這種特性能夠降低產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn),，在 5G 初期這種特性尤為重要。
2）上市時(shí)間：由于 FPGA 買來編程后既可直接使用,，F(xiàn)PGA 方案無需等待三個(gè)月至一年的芯片流片周期,，為企業(yè)爭取了產(chǎn)品上市時(shí)間。
3）成本：FPGA 與 ASIC 主要區(qū)別在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒有,，在使用量小的時(shí)候,，F(xiàn)PGA 方案由于無需支付一次性百萬美元的流片成本，同時(shí)也不用承擔(dān)流片失敗風(fēng)險(xiǎn),，F(xiàn)PGA 方案的成本低于 ASIC,，隨著使用量的增加，F(xiàn)PGA 方案在成本上的優(yōu)勢逐漸縮小,，超過某一使用量后,，ASIC 方案由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，在成本上更有優(yōu)勢,。
4）技術(shù)趨勢：制程迭代驅(qū)動(dòng) 33 年發(fā)展,，平臺(tái)型產(chǎn)品是未來。
1985 年賽靈思發(fā)明 FPGA 以來,，其容量提高了一萬倍以上,，速度提高了一百倍以上，價(jià)格和能耗縮小了一千倍以上。受到先進(jìn)制程迭代的推動(dòng),，F(xiàn)PGA 的架構(gòu)不斷更新,。1985 年，Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064,，采用 2μm 工藝,，包含 64 個(gè)邏輯模塊和 85,000 個(gè)晶體管，門數(shù)量不超過 1000 個(gè),。對比 2016 年賽靈思發(fā)布的 VIRTEX UltraScale,，16nm 制程，系統(tǒng)邏輯單元最高達(dá)378 萬個(gè),。FPGA 制程迭代在提高算力的同時(shí)降低了功耗,，減小了芯片面積，推動(dòng)了 FPGA 的性能提升,。
未來,，在技術(shù)趨勢上，制程迭代+平臺(tái)產(chǎn)品將是未來產(chǎn)品發(fā)展方向,。我們?nèi)匀豢春孟冗M(jìn)制程帶給 FPGA 的性能提升,，同時(shí)新的產(chǎn)品形態(tài)（平臺(tái)型產(chǎn)品）的出現(xiàn)讓FPGA 性能有了進(jìn)一步提升的可能。
FPGA應(yīng)用場景多
?民用方面,，F(xiàn)PGA在通訊,、工業(yè)控制、人工智能等方面應(yīng)用廣泛,。
?通信領(lǐng)域,，在通訊協(xié)議經(jīng)常變化和升級的情況下，市場很難快速推出成熟的5G的ASIC芯片,，得益于可編程的靈活性以及低延時(shí)性,，F(xiàn)PGA具有獨(dú)特優(yōu)勢。
?工業(yè)控制領(lǐng)域,，F(xiàn)PGA大量應(yīng)用在視頻處理,、圖像處理、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號控制和運(yùn)算加速功能,。人工智能領(lǐng)域,，F(xiàn)PGA會(huì)與CPU搭配，把CPU的部分?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)算卸載至FPGA,，將部分需要實(shí)時(shí)處理/加速定制化的計(jì)算交由FPGA執(zhí)行,，起到CPU加速卡的作用。
?由于FPGA具有集成度高,、設(shè)計(jì)周期短,、投資小,、靈活性好的特點(diǎn)，因此在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛,。在彈載方面,，F(xiàn)PGA可進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和傳遞；
?在機(jī)載方面,，F(xiàn)PGA可完成數(shù)據(jù)采集,、產(chǎn)生各類信號、計(jì)算當(dāng)前飛機(jī)相對本地接收天線的方位和距離,、與DSP實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)、上傳報(bào)表等功能,；
?在軍用門禁控制類方面,，可用于人員的指紋識別等工作；此外,，F(xiàn)PGA還可以內(nèi)置加密解密電路,，通過對配置數(shù)據(jù)進(jìn)行不可逆加密，從而加密,、解密數(shù)據(jù),。
細(xì)分板塊需求增長，整體規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大
從全球市場來看,，由于FPGA靈活性高,、開發(fā)時(shí)間短，其應(yīng)用場景覆蓋工業(yè)控制,、網(wǎng)絡(luò)通信,、數(shù)據(jù)中心等多種類型，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大,。
未來隨著通信市場的擴(kuò)張,，以及工業(yè)控制等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)力，市場規(guī)模有望從2022年的79.4億美元增長到2025年的125.8億美元,，3年CAGR為16.58%,。
從國內(nèi)市場來看，F(xiàn)PGA的使用場景可拆分為工業(yè)領(lǐng)域,、通信,、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心,、汽車,、人工智能等，市場規(guī)模有望從2022年的208.8億元增長到2025年的332.2億元,，3年CAGR為16.74%,。
從各個(gè)細(xì)分板塊來看,，通信領(lǐng)域是FPGA市場最重要的組成部分。
一方面,，F(xiàn)PGA芯片運(yùn)算速度可以有效滿足通信領(lǐng)域高速的通信協(xié)議處理需求,；另一方面，在通訊協(xié)議暫未規(guī)范,，ASIC芯片不適合大規(guī)模普及的情況下,，F(xiàn)PGA芯片又可依靠其高度的靈活性以適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代。
現(xiàn)階段,，F(xiàn)PGA已經(jīng)開始在通信行業(yè)大規(guī)模普及,，隨著市場份額的擴(kuò)大以及FPGA芯片在市場的不斷推廣，未來3年通信領(lǐng)域有望始終占據(jù)國內(nèi)40%以上的市場份額,，規(guī)模從2022年的86.7億元增長到2025年的140.4億元,，3年CAGR為17.43%。
工業(yè)領(lǐng)域方面,，F(xiàn)PGA芯片廣泛應(yīng)用于視頻處理,、圖像處理、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號控制和運(yùn)算加速,。
受益于工業(yè)智能化,、無人化的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片高效能,、高靈活性,、設(shè)計(jì)周期短的特點(diǎn)使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
此外,，LED顯示屏控制系統(tǒng)是需要融合計(jì)算機(jī)控制技術(shù),、視頻技術(shù)、光電子技術(shù),、通信技術(shù)等多學(xué)科技術(shù),，主流的LED顯示屏多以FPGA芯片或FPGA芯片與其他芯片結(jié)合，作為主控芯片,。
數(shù)據(jù)中心是FPGA的新興市場,，用來在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速,、展示,、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息,。
相比于CPU,，F(xiàn)PGA的體系結(jié)構(gòu)決定其能夠同時(shí)提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和足夠的靈活性；相比于GPU,，F(xiàn)PGA具有低延遲及高吞吐的優(yōu)點(diǎn),；相比于ASIC,，F(xiàn)PGA在研發(fā)周期、性能,、靈活性等方面可以達(dá)到出色的平衡,。
在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下，未來數(shù)據(jù)中心對芯片性能的要求進(jìn)一步提高,，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比也將提升,。
FPGA卡推薦
針對特定領(lǐng)域和應(yīng)用，光潤通也推出了自己專業(yè)的FPGA板卡,，以PCIe擴(kuò)展卡的方式進(jìn)行部署,，兼容國內(nèi)外各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備，自主可編程,，驅(qū)動(dòng)代碼自主設(shè)計(jì)且開源,，具有FPGA可編程等特點(diǎn)，以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用的需要,。
光潤通GXL-902E-V1.0是基于Xilinx以太網(wǎng)芯片XC7A50T的一款千兆雙光口以太網(wǎng)適配器,，支持PCIe x4接口,，支持雙SFP光口,，預(yù)留FPGA編程接口，滿足用戶可根據(jù)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行定制化需求方案,，可用于數(shù)據(jù)中心,，安全領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集處理。標(biāo)準(zhǔn)PCI Express全高板,，適用于普通服務(wù)器,、工作站。
作為加速云數(shù)據(jù)中心的重要組件,，F(xiàn)PGA卡已經(jīng)開始了它在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的廣泛使用,。除了像微軟、亞馬遜這樣的大型云服務(wù)提供商之外,，F(xiàn)PGA卡也逐漸開始進(jìn)入其他類型和規(guī)模的數(shù)據(jù)中心,，并在大數(shù)據(jù)處理、AI,、網(wǎng)絡(luò)功能加速等領(lǐng)域扮演者重要的角色,。
未來的智能硬件必然不是像智能手機(jī)一樣的全球通用標(biāo)準(zhǔn)品，而是會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用場景進(jìn)行差異化細(xì)分,。如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入FPGA,，充分借助其可編程的定制化優(yōu)勢，拓展靈活創(chuàng)新的功能,，則有望在智能硬件浪潮中占據(jù)先機(jī),。
