FPGA芯片定義及物理結(jié)構(gòu)

FPGA芯片作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中半定制電路面市，克服定制電路靈活度不足的問(wèn)題以及傳統(tǒng)可編程器件門(mén)陣列數(shù)有限的缺陷。

FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片基于可編程器件（PAL、GAL）發(fā)展而來(lái)，是半定制化、可編程的集成電路。

發(fā)明者：賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人Ross Freeman于1984年發(fā)明FPGA集成電路結(jié)構(gòu)。全球第一款商用FPGA芯片為賽靈思XC4000系列FPGA產(chǎn)品。

FPGA芯片按固定模式處理信號(hào)，可執(zhí)行新型任務(wù)（計(jì)算任務(wù)、通信任務(wù)等）。FPGA芯片相對(duì)專用集成電路（如ASIC芯片）更具靈活性，相對(duì)傳統(tǒng)可編程器件可添加更大規(guī)模電路數(shù)量以實(shí)現(xiàn)多元功能。

物理結(jié)構(gòu)：FPGA芯片主要由三部分組成，分別為IOE（input output element，輸入輸出單元）、LAB（logic array block，邏輯陣列塊，賽靈思定義為可配置邏輯塊CLB）以及Interconnect（內(nèi)部連接線）。

FPGA芯片特點(diǎn)及分類

FPGA芯片在實(shí)時(shí)性（數(shù)據(jù)信號(hào)處理速度快）、靈活性等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域占據(jù)不可替代地位，同時(shí)具有開(kāi)發(fā)難度高的特點(diǎn)。

FPGA芯片具備以下特點(diǎn)：

設(shè)計(jì)靈活：屬于硬件可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器。

兼容性強(qiáng)：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計(jì)算任務(wù)。

并行計(jì)算：FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應(yīng)數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能。

適用性強(qiáng)：是專用電路中開(kāi)發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)最低的器件之一（部分客戶無(wú)需投資研發(fā)即可獲得適用FPGA芯片）。

地位提升：早期在部分應(yīng)用場(chǎng)景是ASIC芯片的批量替代品；近期隨微軟等頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心規(guī)模擴(kuò)大，F(xiàn)PGA芯片應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

FPGA廠商主要提供基于兩種技術(shù)類型的FPGA芯片：Flash技術(shù)類、SRAM技術(shù)類（Static Random-access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。

兩類技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面編程功能，具備較高計(jì)算性能，系統(tǒng)門(mén)陣列密度均可超過(guò)1兆。

核心區(qū)別：

1、基于Flash的可編程器件具備非易失性特征，即電流關(guān)閉后，所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不消失。

2、基于SRAM技術(shù)的FPGA芯片不具備非易失性特征，是應(yīng)用范圍最廣泛的架構(gòu)。

FPGA芯片與其他主流芯片對(duì)比

CPU為通用型器件，F(xiàn)PGA架構(gòu)相對(duì)CPU架構(gòu)偏重計(jì)算效率，依托FPGA并行計(jì)算處理視覺(jué)算法可大幅提升計(jì)算速率，降低時(shí)延。

FPGA芯片相較于CPU芯片

CPU處理計(jì)算指令流程：

CPU通過(guò)專用譯碼器接收任務(wù)指令，接收過(guò)程分為兩步：指令獲?。–PU從專門(mén)存放指令的存儲(chǔ)器中提取執(zhí)行指令）以及指令翻譯（根據(jù)特定規(guī)則將指令翻譯為數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算單元）。其中計(jì)算單元為晶體管（CPU基本元件），“開(kāi)”、“關(guān)”分別對(duì)應(yīng)“1”、“0”機(jī)器碼數(shù)字。

CPU處理計(jì)算指令特點(diǎn)：

?CPU物理結(jié)構(gòu)包括Control（指令獲取、指令翻譯）、Cache（臨時(shí)指令存儲(chǔ)器）、計(jì)算單元ALU（約占CPU空間20%）。

?CPU為通用型計(jì)算任務(wù)處理核心，可處理來(lái)自多個(gè)設(shè)備的計(jì)算請(qǐng)求，可隨時(shí)終止當(dāng)前運(yùn)算，轉(zhuǎn)向其他運(yùn)算。

?邏輯控制單元及指令翻譯結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可從中斷點(diǎn)繼續(xù)計(jì)算任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)高度通用性而犧牲計(jì)算效率。

CPU視覺(jué)算法與FPGA視覺(jué)算法比較：

?CPU架構(gòu)：CPU用于處理視覺(jué)算法需按指定順序執(zhí)行指令，第一指令在圖像整體運(yùn)行完成后，第二指令開(kāi)始運(yùn)行。在4步操作指令環(huán)境下，設(shè)定單個(gè)操作指令運(yùn)行需10毫秒，完成總算法耗時(shí)約40毫秒。

?FPGA架構(gòu)：FPGA用于處理視覺(jué)算法采取規(guī)?；⑿羞\(yùn)算模式，可于圖像不同像素內(nèi)同時(shí)運(yùn)行4步操作指令。設(shè)定單個(gè)操作操作指令運(yùn)行需10毫秒，F(xiàn)PGA完成圖像整體視覺(jué)算法處理時(shí)間僅為10毫秒，F(xiàn)PGA圖像處理速度顯著快于CPU。

?“FPGA+CPU”架構(gòu)：此架構(gòu)下，圖像在CPU與FPGA之間傳輸，包含傳輸時(shí)間在內(nèi)的算法整體處理時(shí)間仍低于純CPU架構(gòu)。

?算法案例：以卷積濾鏡圖像銳化計(jì)算任務(wù)為例，系統(tǒng)需通過(guò)閾值運(yùn)行圖像生產(chǎn)二進(jìn)制圖像。CPU架構(gòu)下，系統(tǒng)需在閾值步驟前完成圖像整體卷積步驟，F(xiàn)PGA則支持相同算法同時(shí)運(yùn)行，相對(duì)CPU架構(gòu)，卷積計(jì)算速度提升約20倍。

GPU作為圖形處理器件，計(jì)算峰值較高，遠(yuǎn)期在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域（多指令平行處理單一數(shù)據(jù)），F(xiàn)PGA相對(duì)GPU在靈活性、功耗方面更勝一籌。

FPGA芯片相較于GPU芯片

GPU物理結(jié)構(gòu)：

GPU為圖形處理器，針對(duì)各類計(jì)算機(jī)圖形繪制行為進(jìn)行運(yùn)算（如頂點(diǎn)設(shè)置、光影操作、像素操作等），標(biāo)準(zhǔn)GPU包括2D引擎、3D引擎、視頻處理引擎、顯存管理單元等。其中，3D引擎包含T&L單元、PiexlShader等。

GPU處理計(jì)算指令流程：

?頂點(diǎn)處理：GPU讀取3D圖形頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)外觀數(shù)據(jù)確定3D圖形形狀、位置關(guān)系，建立3D圖形骨架。

?光柵化計(jì)算：顯示器圖像由像素組成，系統(tǒng)需將圖形點(diǎn)、線通過(guò)算法轉(zhuǎn)換至像素點(diǎn)。矢量圖形轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)為光柵化計(jì)算過(guò)程。

?紋理貼圖：通過(guò)紋理映射對(duì)多變形表面進(jìn)行帖圖處理，進(jìn)而生成真實(shí)圖形。

?像素處理：GPU對(duì)光柵化完成的像素進(jìn)行計(jì)算、處理，確定像素最終屬性，多通過(guò)Pixel Shader（像素著色器）完成。

GPU與FPGA特點(diǎn)對(duì)比：

?峰值性：GPU計(jì)算峰值（10Tflops）顯著高于FPGA計(jì)算峰值（小于1TFlops）。GPU架構(gòu)依托深度流水線等技術(shù)可基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)實(shí)現(xiàn)手工電路定制。相對(duì)而言，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)資源受限，型號(hào)選擇決定邏輯資源上限（浮點(diǎn)運(yùn)算資源占用較高），F(xiàn)PGA邏輯單元基于SRAM查找表，布線資源受限。

?內(nèi)存接口：GPU內(nèi)存接口（雙倍數(shù)據(jù)傳輸率存儲(chǔ)器等）帶寬優(yōu)于FPGA使用的DDR（雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）接口，滿足機(jī)器學(xué)習(xí)頻繁訪問(wèn)內(nèi)存需求。

?靈活性：FPGA可根據(jù)特定應(yīng)用編程硬件，GPU設(shè)計(jì)完成后無(wú)法改動(dòng)硬件資源，遠(yuǎn)期機(jī)器學(xué)習(xí)使用多條指令平行處理單一數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA硬件資源靈活性更能滿足需求。

?功耗:GPU平均功耗（200W）遠(yuǎn)高于FPGA平均功耗（10W），可有效解決散熱問(wèn)題。

ASIC芯片專用度高，開(kāi)發(fā)流程非重復(fù)成本（流片）極高，5G商用普及初期，F(xiàn)PGA可依托靈活性搶占市場(chǎng)，但規(guī)?；慨a(chǎn)場(chǎng)景下，ASIC芯片更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).

FPGA芯片相較于ASIC芯片

ASIC與FPGA開(kāi)發(fā)流程區(qū)別：

?ASIC需從標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能需求及性能需求發(fā)生變化時(shí)，ASIC芯片設(shè)計(jì)需經(jīng)歷重新投片，設(shè)計(jì)流程時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本較高。

?FPGA包括預(yù)制門(mén)和觸發(fā)器，具備可編程互連特性，可實(shí)現(xiàn)芯片功能重新配置。相對(duì)而言，ASIC芯片較少具備重配置功能。

ASIC與FPGA經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本區(qū)別：

?ASIC設(shè)計(jì)過(guò)程涉及固定成本，設(shè)計(jì)過(guò)程造成材料浪費(fèi)較少，相對(duì)FPGA重復(fù)成本較低，非重復(fù)成本較高（平均超百萬(wàn)美元）。

?FPGA重復(fù)成本高于同類ASIC芯片，規(guī)?；慨a(chǎn)場(chǎng)景下，ASIC芯片單位IC成本隨產(chǎn)量增加持續(xù)走低，總成本顯著低于FPGA芯片。

?FPGA無(wú)需等待芯片流片周期，編程后可直接使用，相對(duì)ASIC有助于企業(yè)節(jié)省產(chǎn)品上市時(shí)間。

?技術(shù)未成熟階段，F(xiàn)PGA架構(gòu)支持靈活改變芯片功能，有助于降低器件產(chǎn)品成本及風(fēng)險(xiǎn)，更適用于5G商用初期的市場(chǎng)環(huán)境。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析

FPGA芯片構(gòu)成人工智能芯片重要細(xì)分市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)長(zhǎng)，F(xiàn)PGA廠商作為中游企業(yè)對(duì)上游軟、硬件供應(yīng)商及下游客戶企業(yè)議價(jià)能力均較強(qiáng)。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈由上游底層算法設(shè)計(jì)企業(yè)、EDA工具供應(yīng)商、晶圓代工廠、專用材料及設(shè)備供應(yīng)商，中游各類FPGA芯片制造商、封測(cè)廠商及下游包括視覺(jué)工業(yè)廠商、汽車(chē)廠商、通信服務(wù)供應(yīng)商、云端數(shù)據(jù)中心等在內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景客戶企業(yè)構(gòu)成。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游分析

FPGA芯片作為可編程器件，流片需求較少，對(duì)上游代工廠依賴度較低，需專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、算法架構(gòu)支持。

底層算法架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)

FPGA芯片設(shè)計(jì)對(duì)底層算法架構(gòu)依賴度較低，上游算法供應(yīng)商對(duì)中游FPGA芯片研發(fā)制造企業(yè)議價(jià)能力有限。境外算法架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)包括高通、ARM、谷歌、微軟、IBM等。

專用軟件供應(yīng)商

FPGA芯片企業(yè)需通過(guò)EDA等開(kāi)發(fā)輔助軟件（quartus、vivado等）完成設(shè)計(jì)?？商峁〦DA軟件的國(guó)際一流企業(yè)（如Synopsys）向芯片研發(fā)企業(yè)收取高昂模塊使用費(fèi)。中國(guó)市場(chǎng)可提供EDA產(chǎn)品的企業(yè)較少，以芯禾電子、華大九天、博達(dá)微科技等為代表，中國(guó)EDA企業(yè)研發(fā)起步較晚，軟件產(chǎn)品穩(wěn)定性、成熟度有待提高。中國(guó)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)采購(gòu)境外EDA軟件產(chǎn)品成本高昂，遠(yuǎn)期有待境內(nèi)EDA企業(yè)消除與境外同類企業(yè)差距，為中游芯片企業(yè)提供價(jià)格友好型EDA產(chǎn)品。

晶圓代工廠

當(dāng)前中國(guó)主流晶圓廠約30家，在規(guī)格上分別涵蓋8英寸晶圓、12英寸晶圓。其中，8英寸晶圓廠相對(duì)12英寸晶圓廠數(shù)量較多。中國(guó)本土12英寸晶圓廠以武漢新芯、中芯國(guó)際、紫光等為例，平均月產(chǎn)能約65千片。在中國(guó)設(shè)立晶圓廠的境外廠商包括Intel、海力士等。中國(guó)晶圓廠發(fā)展速度較快，如武漢新芯12寸晶圓以平均月產(chǎn)能200千片超過(guò)海力士平均月產(chǎn)能160千片。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中游分析

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)中游企業(yè)擁有較大利潤(rùn)空間，隨研發(fā)能力積累及應(yīng)用市場(chǎng)成熟，中游行業(yè)格局或發(fā)生裂變，從發(fā)展硬件、器件研發(fā)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向發(fā)展軟件、平臺(tái)搭建業(yè)務(wù)。

FPGA芯片產(chǎn)品可快速切入應(yīng)用市場(chǎng)，具備不可替代性， 現(xiàn)階段應(yīng)用場(chǎng)景較為分散。隨技術(shù)成熟度提升，終端廠商或考慮采用ASIC芯片置換FPGA芯片以降低成本（ASIC量產(chǎn)成本低于FPGA）。

FPGA芯片利潤(rùn)空間巨大：

相對(duì)CPU、GPU、ASIC等產(chǎn)品，F(xiàn)PGA芯片利潤(rùn)率較高。中低密度百萬(wàn)門(mén)級(jí)、千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)利潤(rùn)率接近50%（可參考iPhone毛利率接近50%的水平）。高密度億門(mén)級(jí)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)利潤(rùn)率近70%（可以賽靈思、Intel收購(gòu)的阿爾特拉為例）。

中國(guó)中游企業(yè)面臨市場(chǎng)潛力釋放節(jié)點(diǎn)

相較賽靈思、Intel等巨頭，中國(guó)FPGA在研發(fā)方面起步 晚，但研發(fā)進(jìn)度逐漸趕上（與全球頭部廠商相差3代縮短至約2代）。

2017年起，中國(guó)FPGA邁入發(fā)展關(guān)鍵階段（從反向設(shè)計(jì) 向正向設(shè)計(jì)全面過(guò)度）。本報(bào)告期內(nèi)中美貿(mào)易摩擦加劇背景下，完成初期積累的中國(guó)FPGA行業(yè)中游企業(yè)面臨較好發(fā)展機(jī)遇。相對(duì)全球集成電路領(lǐng)域超4,600億美元市場(chǎng)規(guī)模，F(xiàn)PGA市場(chǎng)規(guī)模較小，存在增量釋放空間。

產(chǎn)業(yè)格局或發(fā)生變化

隨FPGA行業(yè)中游企業(yè)集中度提高，行業(yè)格局或發(fā)生裂 變。中國(guó)企業(yè)可通過(guò)市場(chǎng)策略調(diào)整，從硬件研發(fā)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向軟件設(shè)計(jì)，從器件研發(fā)轉(zhuǎn)向平臺(tái)建設(shè)。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈下游分析

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)下游應(yīng)用市場(chǎng)覆蓋范圍廣泛，以電子通信、消費(fèi)電子占據(jù)頭部，工業(yè)控制、機(jī)器人控制、視頻控制、自動(dòng)駕駛和服務(wù)器等多領(lǐng)域具備巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

FPGA廠商偏重通信市場(chǎng)及消費(fèi)電子場(chǎng)景

中國(guó)FPGA應(yīng)用市場(chǎng)以消費(fèi)電子、通信為主。本土芯片在產(chǎn)品硬件性能等方面落后于境外高端產(chǎn)品，在高端民用市場(chǎng)尚不具備競(jìng)爭(zhēng)力，但短期在LED顯示、工業(yè)視覺(jué)等領(lǐng)域出貨量較高。隨中國(guó)企業(yè)技術(shù)突破及5G技術(shù)成熟，中國(guó)FPGA廠商在通信領(lǐng)域或取得市場(chǎng)份額高增長(zhǎng)。

汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用緊隨其后

2025年后，邊緣計(jì)算技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧交通網(wǎng)絡(luò)、 超算中心全面鋪開(kāi)，自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域FPGA應(yīng)用市場(chǎng)成長(zhǎng)速度將超過(guò)通信、消費(fèi)電子市場(chǎng)。

FPGA芯片下游應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)情況：

2018年，通信、消費(fèi)電子、汽車(chē)三大場(chǎng)景構(gòu)成全球FPGA芯片總需求規(guī)模約80%以上，且市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。FPGA器件作為5G基站、汽車(chē)終端設(shè)備、邊緣計(jì)算設(shè)備核心器件，加速效果顯著，面臨下游市場(chǎng)確定性增量需求。隨中游本土企業(yè)實(shí)力提升，遠(yuǎn)期國(guó)產(chǎn)FPGA芯片產(chǎn)品或以低價(jià)優(yōu)勢(shì)切入下游市場(chǎng)，降低下游企業(yè)采購(gòu)高端可編程器 件成本。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)FPGA芯片存量需求持續(xù)提升，5G、人工智能技術(shù)發(fā)展推動(dòng)中國(guó)FPGA市場(chǎng)擴(kuò)張，刺激增量需求釋放。

FPGA芯片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

隨下游應(yīng)用市場(chǎng)拓展，中國(guó)FPGA行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)提升。2018年，中國(guó)范圍FPGA市場(chǎng)規(guī)模接近140億元。

5G新空口通信技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步刺激中國(guó)FPGA市場(chǎng)擴(kuò)容。預(yù)計(jì)2023年，中國(guó)FPGA芯片市場(chǎng)規(guī)模將接近460億元。

全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模潛力將釋放，主要得益于以下因素：

下游應(yīng)用場(chǎng)景趨于廣泛：FPGA芯片相對(duì)ASIC更具靈活性，可節(jié)省流片時(shí)間成本，上市時(shí)間短，應(yīng)用場(chǎng)景從通信收發(fā)器、消費(fèi)電子等拓展至汽車(chē)電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)視覺(jué)、醫(yī)療檢測(cè)等，短期內(nèi)中國(guó)FPGA應(yīng)用場(chǎng)景保持分散格局，存量市場(chǎng)、增量市場(chǎng)均存在擴(kuò)容空間。

部分應(yīng)用場(chǎng)景不可替代性：FPGA芯片在技術(shù)不穩(wěn)定、靈活度需求高、需求量小的場(chǎng)景具備ASIC、CPU、GPU不可替代的低研發(fā)成本、制造成本優(yōu)勢(shì)（器件可根據(jù)具體需求完成現(xiàn)場(chǎng)編程需求）。

全球市場(chǎng)份額分析：

亞太市場(chǎng)需求顯著

亞太地區(qū)市場(chǎng)是FPGA的主要應(yīng)用市場(chǎng)，占全球市場(chǎng)份額超40%。截至2018年底，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模接近140億元，且隨5G通信基礎(chǔ)設(shè)施鋪開(kāi)而面臨較大增量需求空間。

北美龍頭企業(yè)把持頭部市場(chǎng)

北美地區(qū)賽靈思、Intel（收購(gòu)阿爾特拉）保持FPGA市場(chǎng)雙寡頭壟斷格局。中國(guó)FPGA市場(chǎng)中，賽靈思份額超過(guò)50%，Intel份額接近30%。

FPGA芯片技術(shù)分析

計(jì)算任務(wù)：FPGA可用于處理多元計(jì)算密集型任務(wù)，依托流水線并行結(jié)構(gòu)體系，F(xiàn)PGA相對(duì)GPU、CPU在計(jì)算結(jié)果返回時(shí)延方面具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算密集型任務(wù)：矩陣運(yùn)算、機(jī)器視覺(jué)、圖像處理、搜索引擎排序、非對(duì)稱加密等類型的運(yùn)算屬于計(jì)算密集型任務(wù)。該類運(yùn)算任務(wù)可由CPU卸載至FPGA執(zhí)行。

FPGA執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù)性能表現(xiàn)：

?計(jì)算性能相對(duì)CPU：如Stratix系列FPGA進(jìn)行整數(shù)乘法運(yùn)算，其性能與20核CPU相當(dāng)，進(jìn)行浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，其性能與8核CPU相當(dāng)。

?計(jì)算性能相對(duì)GPU：FPGA進(jìn)行整數(shù)乘法、浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，性能相對(duì)GPU存在數(shù)量級(jí)差距，可通過(guò)配置乘法器、浮點(diǎn)運(yùn)算部件接近GPU計(jì)算性能。

FPGA執(zhí)行計(jì)算密集型任務(wù)核心優(yōu)勢(shì)：

搜索引擎排序、圖像處理等任務(wù)對(duì)結(jié)果返回時(shí)限要求較為嚴(yán)格，需降低計(jì)算步驟時(shí)延。傳統(tǒng)GPU加速方案下數(shù)據(jù)包規(guī)模較大，時(shí)延可達(dá)毫秒級(jí)別。FPGA加速方案下，PCIe時(shí)延可降至微秒級(jí)別。遠(yuǎn)期技術(shù)推動(dòng)下，CPU與FPGA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延可降至100納秒以下。

FPGA體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：FPGA可針對(duì)數(shù)據(jù)包步驟數(shù)量搭建同等數(shù)量流水線（流水線并行結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)包經(jīng)多個(gè)流水線處理后可即時(shí)輸出。GPU數(shù)據(jù)并行模式依托不同數(shù)據(jù)單元處理不同數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)單元需一致輸入、輸出。針對(duì)流式計(jì)算任務(wù)，F(xiàn)PGA流水線并行結(jié)構(gòu)在延遲方面具備天然優(yōu)勢(shì)。

通信任務(wù)：FPGA用于處理通信密集型任務(wù)不受網(wǎng)卡限制，在數(shù)據(jù)包吞吐量、時(shí)延方面表現(xiàn)優(yōu)于CPU方案，時(shí)延穩(wěn)定性較強(qiáng)。

通信密集型任務(wù)：對(duì)稱加密、防火墻、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等運(yùn)算屬于通信密集型計(jì)算任務(wù)，通信密集數(shù)據(jù)處理相對(duì)計(jì)算密集數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度較低，易受通信硬件設(shè)備限制。

FPGA執(zhí)行通信密集型任務(wù)優(yōu)勢(shì)：

1、吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)：

CPU方案處理通信密集任務(wù)需通過(guò)網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)，易受網(wǎng)卡性能限制（線速處理64字節(jié)數(shù)據(jù)包網(wǎng)卡有限，CPU及主板PCIe網(wǎng)卡插槽數(shù)量有限）。

GPU方案（高計(jì)算性能）處理通信密集任務(wù)數(shù)據(jù)包缺乏網(wǎng)口，需依靠網(wǎng)卡收集數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)吞吐量受CPU及網(wǎng)卡限制，時(shí)延較長(zhǎng)。

FPGA可接入40Gbps、100Gbps網(wǎng)線，并以線速處理各類數(shù)據(jù)包，可降低網(wǎng)卡、交換機(jī)配置成本。

2、時(shí)延優(yōu)勢(shì)：

CPU方案通過(guò)網(wǎng)卡收集數(shù)據(jù)包，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)卡。受網(wǎng)卡性能限制，DPDK數(shù)據(jù)包處理框架下，CPU處理通信密集任務(wù)時(shí)延近5微秒，且CPU時(shí)延穩(wěn)定性較弱，高負(fù)載情況下時(shí)延或超過(guò)幾十微秒，造成任務(wù)調(diào)度不確定性。

FPGA無(wú)需指令，可保證穩(wěn)定、極低時(shí)延，F(xiàn)PGA協(xié)同CPU異構(gòu)模式可拓展FPGA方案在復(fù)雜端設(shè)備的應(yīng)用。

部署方式：FPGA部署包括集群式、分布式等，逐漸從中心化過(guò)渡至分布式，不同部署方式下，服務(wù)器溝通效率、故障傳導(dǎo)效應(yīng)表現(xiàn)各異。

FPGA嵌入功耗負(fù)擔(dān)：FPGA嵌入對(duì)服務(wù)器整體功耗影響較小，以Catapult聯(lián)手微軟開(kāi)展的FPGA加速機(jī)器翻譯項(xiàng)目為例，加速模塊整體總計(jì)算能力達(dá)到103Tops/W，與10萬(wàn)塊GPU計(jì)算能力相當(dāng)。相對(duì)而言，嵌入單塊FPGA導(dǎo)致服務(wù)器整體功耗增加約30W。

FPGA部署方式特點(diǎn)及限制：

1、集群部署特點(diǎn)及限制：FPGA芯片構(gòu)成專用集群，形成FPGA加速卡構(gòu)成的超級(jí)計(jì)算器（如Virtex系列早期實(shí)驗(yàn)板于同一硅片部署6塊FPGA，單位服務(wù)器搭載4塊實(shí)驗(yàn)板）。

?專用集群模式無(wú)法在不同機(jī)器FPGA之間實(shí)現(xiàn)通信；

?數(shù)據(jù)中心其他機(jī)器需集中發(fā)送任務(wù)至FPGA集群，易造成網(wǎng)絡(luò)延遲；

?單點(diǎn)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心整體加速能力受限

2、網(wǎng)線連接分布部署：為保證數(shù)據(jù)中心服務(wù)器同構(gòu)性（ASIC解決方案亦無(wú)法滿足），該部署方案于不同服務(wù)器嵌入FPGA，并通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)連接，可解決單點(diǎn)故障傳導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題。

?類同于集群部署模式，該模式不支持不同機(jī)器FPGA間通信；

?搭載FPGA芯片的服務(wù)器具備高度定制化特點(diǎn)，運(yùn)維成本較高。

3、共享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署：該部署模式下，F(xiàn)PGA置于網(wǎng)卡、交換機(jī)間，可大幅提高加速網(wǎng)絡(luò)功能并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化。

·FPGA針對(duì)每臺(tái)虛擬機(jī)設(shè)置虛擬網(wǎng)卡，虛擬交換機(jī)數(shù)據(jù)平面功能移動(dòng)至FPGA內(nèi)，無(wú)需CPU或物理網(wǎng)卡參與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包收發(fā)過(guò)程。

·該方案顯著提升虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能（25Gbps），同時(shí)可降低數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲（10倍）。

共享部署：分享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署模式下，F(xiàn)PGA加速器有助于降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，維護(hù)數(shù)據(jù)中心時(shí)延穩(wěn)定，顯著提升虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能。

分享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署模式下FPGA加速Bing搜索排序：Bing搜索排序于該模式下采用10Gbps專用網(wǎng)線通信，每組網(wǎng)絡(luò)由8個(gè)FPGA組成。其中，部分負(fù)責(zé)提取信號(hào)特征，部分負(fù)責(zé)計(jì)算特征表達(dá)式，部分負(fù)責(zé)計(jì)算文檔得分，最終形成機(jī)器人即服務(wù)（RaaS）平臺(tái)。FPGA加速方案下，Bing搜索時(shí)延大幅降低，延遲穩(wěn)定性呈現(xiàn)正態(tài)分布。該部署模式下，遠(yuǎn)程FPGA通信延遲相對(duì)搜索延遲可忽略。

Azure服務(wù)器部署FPGA模式：Azure針對(duì)網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)虛擬化成本較高等問(wèn)題采取FPGA分享服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署模式。隨網(wǎng)絡(luò)計(jì)算速度達(dá)到40Gbps，網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)虛擬化CPU成本激增（單位CPU核僅可處理100Mbps吞吐量）。通過(guò)在網(wǎng)卡及交換機(jī)間部署FPGA，網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展至整個(gè)數(shù)據(jù)中心。通過(guò)輕量級(jí)傳輸層，同一服務(wù)器機(jī)架時(shí)延可控制在3微秒內(nèi)，觸達(dá)同數(shù)據(jù)中心全部FPGA機(jī)架時(shí)延可控制在20微秒內(nèi)。

加速層：依托高帶寬、低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA可組成網(wǎng)絡(luò)交換層與服務(wù)器軟件之間的數(shù)據(jù)中心加速層，并隨分布式加速器規(guī)模擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)性能超線性提升。

數(shù)據(jù)中心加速層：FPGA嵌入數(shù)據(jù)中心加速平面，位于網(wǎng)絡(luò)交換層（支架層、第一層、第二層）及傳統(tǒng)服務(wù)器軟件（CPU層面運(yùn)行軟件）之間。

加速層優(yōu)勢(shì)：

?FPGA加速層負(fù)責(zé)為每臺(tái)服務(wù)器（提供云服務(wù)）提供網(wǎng)絡(luò)加速、存儲(chǔ)虛擬化加速支撐，加速層剩余資源可用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等計(jì)算任務(wù)。

?隨分布式網(wǎng)絡(luò)模式下FPGA加速器規(guī)模擴(kuò)大，虛擬網(wǎng)絡(luò)性能提升呈現(xiàn)超線性特征。

加速層性能提升原理：使用單塊FPGA時(shí)，單片硅片內(nèi)存不足以支撐全模型計(jì)算任務(wù)，需持續(xù)訪問(wèn)DRAM以獲取權(quán)重，受制于DRAM性能。加速層通過(guò)數(shù)量眾多的FPGA支撐虛擬網(wǎng)絡(luò)模型單層或單層部分計(jì)算任務(wù)。該模式下，硅 片內(nèi)存完整加載模型權(quán)重，可突破DRAM性能瓶頸，F(xiàn)PGA計(jì)算性能得到充分發(fā)揮。加速層需避免計(jì)算任務(wù)過(guò)度拆分而導(dǎo)致計(jì)算、通信失衡。

eFPGA：嵌入式eFPGA技術(shù)在性能、成本、功耗、盈利能力等方面優(yōu)于傳統(tǒng)FPGA嵌入方案，可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同細(xì)分市場(chǎng)需求提供靈活解決方案。

eFPGA技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素：

設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升伴隨設(shè)備成本下降的經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)促發(fā)市場(chǎng)對(duì)eFPGA技術(shù)需求。

器件設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升：SoC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程相關(guān)軟件工具趨于復(fù)雜（如Imagination Technologies為滿足客戶完整開(kāi)發(fā)解決方案需求而提供PowerVR圖形界面、Eclipse整合開(kāi)發(fā)環(huán)境），工程耗時(shí)增加（編譯時(shí)間、綜合時(shí)間、映射時(shí)間，F(xiàn)PGA規(guī)模越大，編譯時(shí)間越長(zhǎng)）、制模成本提高(FPGA芯片成本為同規(guī)格ASIC芯片成本100倍）。

設(shè)備單位功能成本持續(xù)下降：20世紀(jì)末期，F(xiàn)PGA平均售價(jià)較高（超1,000元），傳統(tǒng)模式下，F(xiàn)PGA與ASIC集成設(shè)計(jì)導(dǎo)致ASIC芯片管芯面積、尺寸增大，復(fù)雜度提升，早期混合設(shè)備成本較高。21世紀(jì)，相對(duì)批量生產(chǎn)的混合設(shè)備，F(xiàn)PGA更多應(yīng)用于原型設(shè)計(jì)、預(yù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，成本相對(duì)傳統(tǒng)集成持續(xù)下降（最低約100元），應(yīng)用靈活。

eFPGA技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、更優(yōu)質(zhì)：eFPGA IP核及其他功能模塊的SoC設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)FPGA嵌入ASIC解決方案，在功耗、性能、體積、成本等方面表現(xiàn)更優(yōu)。

2、更方便：下游應(yīng)用市場(chǎng)需求更迭速度快，eFPGA可重新編程特性有助于設(shè)計(jì)工程師更新SoC，產(chǎn)品可更長(zhǎng)久占有市場(chǎng)，利潤(rùn)、收入、盈利能力同時(shí)大幅提升。eFPGA方案下SoC可實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，一方面迅速更新升級(jí)以支持新接口標(biāo)準(zhǔn)，另一方面可快速接入新功能以應(yīng)對(duì)細(xì)分化市場(chǎng)需求。

3、更節(jié)能：SoC設(shè)計(jì)嵌入eFPGA技術(shù)可在提高總性能的同時(shí)降低總功耗。利用eFPGA技術(shù)可重新編程特性，工程師可基于硬件，針對(duì)特定問(wèn)題對(duì)解決方案進(jìn)行重新配置，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)性能、降低功耗。

云計(jì)算：FPGA技術(shù)無(wú)需依靠指令、無(wú)需共享內(nèi)存，在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)中提供低延遲流式通信功能，可廣泛滿足虛擬機(jī)之間、進(jìn)程之間加速需求。

FPGA云計(jì)算任務(wù)執(zhí)行流程：主流數(shù)據(jù)中心以FPGA為計(jì)算密集型任務(wù)加速卡，賽靈思及阿爾特拉推出基于OpenCL的高層次編程模型，模型依托CPU觸達(dá)DRAM，向FPGA傳輸任務(wù)，通知執(zhí)行，F(xiàn)PGA完成計(jì)算并將執(zhí)行結(jié)果傳輸至DRAM，最終傳輸至CPU。

FPGA云計(jì)算性能升級(jí)空間：受限于工程實(shí)現(xiàn)能力，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心FPGA與CPU之間通信多以DRAM為中介，通過(guò)燒寫(xiě)DRAM、啟動(dòng)kernel、讀取DRAM的流程完成通信（FPGA DRAM相對(duì)CPU DRAM數(shù)據(jù)傳輸速度較慢），時(shí)延近2毫秒（OpenCL、多個(gè)kernel間共享內(nèi)存）。CPU與FPGA間通信時(shí)延存在升級(jí)空間，可借助PCIe DMA實(shí)現(xiàn)高效直接通信，時(shí)延最低可降至1微秒。

FPGA云計(jì)算通信調(diào)度新型模式：新通信模式下，F(xiàn)PGA與CPU無(wú)需依托共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，可通過(guò)管道實(shí)現(xiàn)智行單元、主機(jī)軟件之間的高速通信。云計(jì)算數(shù)據(jù)中心任務(wù)較為單一，重復(fù)性強(qiáng)，主要包括虛擬平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和存儲(chǔ)（通信任務(wù)）以及機(jī)器學(xué)習(xí)、對(duì)稱及非對(duì)稱加密解密（計(jì)算任務(wù)），算法較為復(fù)雜。新型調(diào)度模式下，CPU計(jì)算任務(wù)趨于碎片化，遠(yuǎn)期云平臺(tái)計(jì)算中心或以FPGA為主，并通過(guò)FPGA將復(fù)雜計(jì)算任務(wù)卸載至CPU（區(qū)別于傳統(tǒng)模式下CPU卸載任務(wù)至FPGA的模式）。

全球FPGA大廠競(jìng)爭(zhēng)

全球FPGA芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)高度集中，頭部廠商占領(lǐng)“制空權(quán)”，新入局企業(yè)通過(guò)產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，智能化市場(chǎng)需求或?qū)PGA技術(shù)推向主流。

全球FPGA市場(chǎng)由四大巨頭Xilinx賽靈思，Intel英特爾（收購(gòu)阿爾特拉）、Lattice萊迪思、Microsemi美高森美壟斷，四大廠商壟斷9,000余項(xiàng)專利技術(shù)，把握行業(yè)“制空權(quán)”。

截至2018年底，全球范圍FPGA市場(chǎng)規(guī)模由賽靈思占據(jù)首位（49%），英特爾（阿爾特拉）占比超30%，Lattice及Microsemi占據(jù)全球市場(chǎng)規(guī)模均超5%。相對(duì)而言，中國(guó)廠商整體僅占全球FPGA市場(chǎng)份額不足3%。

FPGA芯片行業(yè)形成以來(lái)，全球范圍約有超70家企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)，新創(chuàng)企業(yè)層出不窮（如Achronix Semiconductor、MathStar等）。產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，除傳統(tǒng)可編程邏輯裝置（純數(shù)字邏輯性質(zhì)），新型可編程邏輯裝置（混訊性質(zhì)、模擬性質(zhì)）創(chuàng)新速度加快，具體如Cypress Semiconductor研發(fā)具有可組態(tài)性混訊電路PSoC（Programmable System on Chip），再如Actel推出Fusion（可程序化混訊芯片）。此外，部分新創(chuàng)企業(yè)推出現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬數(shù)組FPAA（Field Programmable Analog Array）等。

隨智能化市場(chǎng)需求變化演進(jìn)，高度定制化芯片（SoC ASIC）因非重復(fù)投資規(guī)模大、研發(fā)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)導(dǎo)致市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)劇增。相對(duì)而言，F(xiàn)PGA在并行計(jì)算任務(wù)領(lǐng)域具備優(yōu)勢(shì)，在高性能、多通道領(lǐng)域可以代替部分ASIC。人工智能領(lǐng)域多通道計(jì)算任務(wù)需求推動(dòng)FPGA技術(shù)向主流演進(jìn)。

基于FPGA芯片在批量較?。髌?萬(wàn)片為界限）、多通道計(jì)算專用設(shè)備（雷達(dá)、航天設(shè)備）領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，下游部分應(yīng)用市場(chǎng)以FPGA取代ASIC應(yīng)用方案。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)驅(qū)動(dòng)因素

5G通信體系建設(shè)提高FPGA芯片需求

通信場(chǎng)景是FPGA芯片在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用最廣泛的場(chǎng)景（占比約40%），隨5G通信技術(shù)發(fā)展、硬件設(shè)備升級(jí)（基站天線收發(fā)器創(chuàng)新），F(xiàn)PGA面臨強(qiáng)勁市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)。

5G通信規(guī)?；逃迷诩矗苿?dòng)FPGA芯片用量提升、價(jià)格提升空間釋放。

新型基站天線收發(fā)器采用FPGA芯片

5G時(shí)期Massive MIMO基站技術(shù)條件下，基站收發(fā)通道數(shù)量從16T16R（雙模解決方案）提升至最高128T128R，可采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)波束成形。如64通道毫米波MIMO全DBF收發(fā)器中頻和基帶子系統(tǒng)采用賽靈思Kintex-7系列FPGA。中頻和基帶子系統(tǒng)疊加實(shí)現(xiàn)通用無(wú)線接入功能。

在FPGA芯片行業(yè)內(nèi)有10年以上產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、算法研究經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專家表示，F(xiàn)PGA相對(duì)CPU、GPU在功耗及計(jì)算速度方面具備優(yōu)勢(shì)，通信設(shè)備企業(yè)將加大FPGA器件在基站天線收發(fā)器等核心設(shè)備中的應(yīng)用（如頭部移動(dòng)通信設(shè)備廠商京信通信于新型收發(fā)器產(chǎn)品嵌入FPGA芯片）。

全球FPGA通信市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

截至2018年底，全球FPGA通信市場(chǎng)占據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)整體近45%。2020年至2025年，全球FPGA通信市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)近10%。

5G基礎(chǔ)設(shè)施將以FPGA器件為核心組件

5G通信市場(chǎng)增長(zhǎng)具備確定性。相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（機(jī)房、宏站、微站等）滲透物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等多元領(lǐng)域，5G基建項(xiàng)目以FPGA為核心零部件，推動(dòng)FPGA價(jià)格上升空間釋放。

?未來(lái)10年，小基站數(shù)量或超10,000座，基站數(shù)量帶動(dòng)FPGA器件用量提升。

?5G MIMO基站面臨數(shù)據(jù)高并發(fā)處理需求，單個(gè)基站FPGA用量整體提高（從4G時(shí)期2至3塊增加至5G時(shí)期4至5塊）。

?現(xiàn)階段基站用FPGA均價(jià)處于100元以內(nèi)，技術(shù)復(fù)雜度提高等因素推動(dòng)價(jià)格走高（>100元）。

自動(dòng)駕駛規(guī)?；逃锰嵘慨a(chǎn)需求

自動(dòng)駕駛領(lǐng)域ADAS系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、車(chē)內(nèi)通信系統(tǒng)、娛樂(lè)信息系統(tǒng)等板塊對(duì)FPGA芯片產(chǎn)品產(chǎn)生增量需求，全球頭部FPGA廠商積極布局自動(dòng)駕駛賽道。

FPGA巨頭看好自動(dòng)駕駛賽道

截至2018年底，全球汽車(chē)半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模接近400億美元，其中，F(xiàn)PGA應(yīng)用于汽車(chē)半導(dǎo)體領(lǐng)域市場(chǎng)僅占約2.5%。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)車(chē)載芯片提出更高要求，主控芯片需求從傳統(tǒng)GPU拓展至ASIC、FPGA等芯片類型?，F(xiàn)階段，F(xiàn)PGA芯片在車(chē)載攝像頭、傳感器等硬件設(shè)備中的應(yīng)用趨于成熟。此外，得益于編程靈活性，F(xiàn)PGA芯片在激光雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)駕駛汽車(chē)高度依賴傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備及車(chē)內(nèi)網(wǎng)等軟件系統(tǒng)，對(duì)FPGA芯片數(shù)量需求顯著。頭部FPGA廠商（如賽靈思）搶占智能駕駛賽道，逐步加大與車(chē)企及車(chē)聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的合作，截至2018年底，賽靈思FPGA方案嵌入車(chē)型拓展至111種。

FPGA在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用覆蓋面廣

FPGA芯片在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域可應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)、激光雷達(dá)、自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)、馬達(dá)控制、車(chē)內(nèi)娛樂(lè)信息系統(tǒng)、駕駛員信息系統(tǒng)等板塊，應(yīng)用面廣泛。具體可以魔視智能自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)將FPGA芯片接入車(chē)內(nèi)網(wǎng)CAN總 線，連接藍(lán)牙、SD卡等通信組件，并通過(guò)MCU等與攝像頭、傳感器裝置連接。FPGA大廠賽靈思積極布局ADAS領(lǐng)域。遠(yuǎn)期ADAS系統(tǒng)更趨復(fù)雜（包括前視攝像頭、駕駛監(jiān)視攝像頭、全景攝像頭、近程雷達(dá)、遠(yuǎn)程激光雷達(dá) 等），推動(dòng)FPGA用量空間增大。2025年，自動(dòng)駕駛進(jìn)入規(guī)?；逃秒A段，將持續(xù)推動(dòng)FPGA與汽車(chē)電子、車(chē)載軟件系統(tǒng)的融合。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)制約因素

FPGA設(shè)計(jì)人才團(tuán)隊(duì)實(shí)力匱乏

FPGA芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域門(mén)檻高（高于CPU、存儲(chǔ)器、DSP），中國(guó)本土廠商起步晚，處于產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)初期階段，在人才資源儲(chǔ)備方面基礎(chǔ)薄弱。

相對(duì)國(guó)際市場(chǎng)，中國(guó)FPGA芯片設(shè)計(jì)人才儲(chǔ)備不足

中國(guó)FPGA領(lǐng)域人才儲(chǔ)備約為美國(guó)相應(yīng)人才儲(chǔ)備1/10

根據(jù)中國(guó)國(guó)際人才交流基金會(huì)等機(jī)構(gòu)發(fā)布的《中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(shū)》顯示，截至2018年底，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存量人才約40萬(wàn)人，該產(chǎn)業(yè)人才需求約于2020年突破70萬(wàn)人，存在約30萬(wàn)人以上人才缺口。在FPGA板塊，美國(guó)頭部廠商Intel、賽靈思、Lattice等及高校和研究機(jī)構(gòu)相關(guān)人才近萬(wàn)人，相對(duì)而言，中國(guó)FPGA設(shè)計(jì)研發(fā)人才匱乏，頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技等研發(fā)人員儲(chǔ)備平均不足200人，產(chǎn)業(yè)整體人才團(tuán)隊(duì)不足千人，成為制約中國(guó)FPGA芯片行業(yè)技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品升級(jí)的核心因素。

行業(yè)發(fā)展起步晚，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)缺失

中國(guó)FPGA行業(yè)于2000年起步，美國(guó)則具備自20世紀(jì)80年代研發(fā)起步的背景。2010年，中國(guó)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。美國(guó)高校與芯片廠商聯(lián)動(dòng)緊密，將大量技術(shù)輸送給企業(yè)，相較而言，中國(guó)企業(yè)缺乏與高校等研究機(jī)構(gòu)合作經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)不足，行業(yè)現(xiàn)有核心人才多從海外引進(jìn)。

研發(fā)實(shí)力匱乏制約企業(yè)成長(zhǎng)

全球頭部FPGA廠商依托專利技術(shù)積累及人才培養(yǎng)，以及早于中國(guó)企業(yè)20年的發(fā)展經(jīng)歷，在全球范圍牢固占據(jù)第一梯隊(duì)陣營(yíng)。FPGA行業(yè)進(jìn)入門(mén)檻高，中國(guó)頭部企業(yè)較難取得后發(fā)優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，賽靈思已進(jìn)入7納米工藝億門(mén)級(jí)高端FPGA產(chǎn)品研發(fā)階段，中國(guó)頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等啟動(dòng)28納米工藝千萬(wàn)門(mén)級(jí)（7,000萬(wàn)）中高密度FPGA研發(fā)工作，與全球頂尖水平相差約2代至3代，亟需人才資源支持。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)政策法規(guī)

政策分析

為進(jìn)一步引導(dǎo)FPGA行業(yè)有序發(fā)展，凸顯集成電路產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位，國(guó)家政策部門(mén)整合行業(yè)、市場(chǎng)、用戶資源，為中國(guó)集成電路企業(yè)向國(guó)際第一梯隊(duì)目標(biāo)發(fā)展打造政策基礎(chǔ)。

“十二五”以來(lái)，國(guó)家強(qiáng)調(diào)集成電路產(chǎn)業(yè)作為先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)的地位，更加重視芯片科技發(fā)展對(duì)工業(yè)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)和信息技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。國(guó)家從市場(chǎng)需求、供給、產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)、價(jià)值鏈等層面出發(fā)，出臺(tái)多項(xiàng)利好政策。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

FPGA芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度持續(xù)提高

2016至2018年，全球FPGA研發(fā)領(lǐng)域高性能、高安全性可編程芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目比重提高，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)復(fù)雜度日趨提升，具體可以安全特性設(shè)計(jì)增加為例。

安全特性需求增加，高性能FPGA芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高

安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南增加

安全特性需求增加可以安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南增加為表現(xiàn)。2016年及歷史FPGA開(kāi)發(fā)項(xiàng)目多基于一個(gè)安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，2018年及以后，更多FPGA研發(fā)項(xiàng)目以一個(gè)或多個(gè)安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

安全保證硬件模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目增加

安全保證硬件模塊設(shè)計(jì)多用于加密密鑰、數(shù)字權(quán)限管理密鑰、密碼、生物識(shí)別參考數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。相對(duì)2016年，2018年全球FPGA安全特性模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目占比顯著增加（增幅超5%）。安全特性提升增加設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求及驗(yàn)證復(fù)雜度。

其他設(shè)計(jì)項(xiàng)目提高芯片驗(yàn)證復(fù)雜性

①嵌入式處理器核心數(shù)量增加：相對(duì)2016年，2018年更多FPGA設(shè)計(jì)趨向SoC類（SoC-class）設(shè)計(jì)。2018年，超過(guò)40%FPGA設(shè)計(jì)包含2個(gè)或2個(gè)以上嵌入式處理器，接近15%FPGA設(shè)計(jì)包含4個(gè)或以上嵌入式處理器，SoC類設(shè)計(jì)增加驗(yàn)證流程復(fù)雜性。

②異步時(shí)鐘域數(shù)量增加：2018年，約90%FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含2個(gè)或以上異步時(shí)鐘域，多個(gè)異步時(shí)鐘域驗(yàn)證需求增加驗(yàn)證工作量（驗(yàn)證模型趨于復(fù)雜，代碼異常增加）。

廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)化項(xiàng)目

醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)視覺(jué)等領(lǐng)域?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)需求增強(qiáng)，且面臨神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)演化帶來(lái)的挑戰(zhàn)。相對(duì)CPU、GPU，F(xiàn)PGA技術(shù)更適應(yīng)非固定、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，與機(jī)器學(xué)習(xí)融合度加深。

FPGA芯片更適用于非固定、非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器學(xué)習(xí)演化環(huán)境

FPGA在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)越

?性能對(duì)比可參考賽靈思公開(kāi)測(cè)試結(jié)果

針對(duì)GPU、FPGA在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的性能表現(xiàn)，賽靈思曾公布reVISION系列FPGA芯片與英偉達(dá)Tegra X1系列GPU芯片基準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)PGA方案在單位功耗圖像捕獲速度方面優(yōu)于GPU方案6倍，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理幀速率方面優(yōu)于GPU方案42倍，同時(shí)，F(xiàn)PGA時(shí)延為GPU時(shí)延1/5。

?賽靈思FPGA與Intel芯片能效對(duì)比

相對(duì)IntelArria 10 SoC系列CPU器件，賽靈思FPGA器件可助力深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)運(yùn)算效率提升3倍至7倍。

企業(yè)采取新架構(gòu)（視覺(jué)數(shù)據(jù)傳輸至FPGA加速邊緣服務(wù)器集群）

?FPGA對(duì)流處理進(jìn)行優(yōu)化

FPGA方案可針對(duì)視頻分析、深度學(xué)習(xí)推理進(jìn)行流處理（大數(shù)據(jù)處理手段技術(shù)之一）優(yōu)化?；陟`活可編程特點(diǎn)，F(xiàn)PGA方案可滿足重新配置需求，適用于庫(kù)存管理、欺詐控制、面部識(shí)別等普通模型以及跟蹤、自然語(yǔ)言交互、情感檢測(cè)等復(fù)雜模型。

?初創(chuàng)企業(yè)積極采取FPGA方案

初創(chuàng)企業(yè)如Megh Computing、PointR.ai等積極采用FPGA方案建立新型視頻數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，發(fā)揮緊湊、低功耗計(jì)算模塊優(yōu)勢(shì)。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

競(jìng)爭(zhēng)格局概述

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)發(fā)展起步較晚，呈現(xiàn)藍(lán)海市場(chǎng)特征，本土企業(yè)主攻中低密度市場(chǎng)，在高端“億門(mén)陣列”級(jí)細(xì)分市場(chǎng)尚不具備與國(guó)際頭部廠商競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。

國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局：全球FPGA市場(chǎng)早期由美國(guó)兩大巨頭（賽靈思、阿爾特拉）高度壟斷，經(jīng)市場(chǎng)一系列并購(gòu)行為及初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)影響，國(guó)際市場(chǎng)第一梯隊(duì)陣營(yíng)擴(kuò)容（包括賽靈思、Intel、Lattice、Microsemi、Achronix、Flexlogic、Quicklogic等）。

中國(guó)FPGA廠商：

中國(guó)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)可以紫光同創(chuàng)、國(guó)微電子、成都華微電子、安路科技、智多晶、高云半導(dǎo)體、上海復(fù)旦微電子和京微齊力為例。

從產(chǎn)品角度分析，中國(guó)FPGA硬件性能指標(biāo)相較賽靈思、Intel等差距較大。紫光同創(chuàng)是當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)唯一具備自主產(chǎn)權(quán)千萬(wàn)門(mén)級(jí)高性能FPGA研發(fā)制造能力的企業(yè)。上海復(fù)旦微電子于2018年5月推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)億門(mén)級(jí)FPGA產(chǎn)品。中國(guó)FPGA企業(yè)緊跟大廠步伐，布局人工智能、自動(dòng)駕駛等市場(chǎng)，打造高、中、低端完整產(chǎn)品線。

中國(guó)FPGA企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)突破口

現(xiàn)階段中國(guó)FPGA廠商芯片設(shè)計(jì)軟件、應(yīng)用軟件不統(tǒng)一，易在客戶端造成資源浪費(fèi)，頭部廠商可帶頭集中產(chǎn)業(yè)鏈資源，提高行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。

TOP10企業(yè)排名

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)主體包括研發(fā)類企業(yè)及應(yīng)用解決方案供應(yīng)商，隨人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)速發(fā)展推動(dòng)，中國(guó)FPGA廠商迎來(lái)市場(chǎng)切入最佳時(shí)期。

中國(guó)FPGA廠商特點(diǎn)

FPGA芯片行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)高度集中，中國(guó)FPGA廠商多以40nm、55nm產(chǎn)品系列為主，在中國(guó)市場(chǎng)及全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力尚不可與賽靈思、英特爾匹敵（制造工藝、規(guī)模容量、軟件能力均處于劣勢(shì)）。中國(guó)廠商亟需在高集中度市場(chǎng)中尋求突圍路徑。2017年，通信行業(yè)剛需加速FPGA芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，但中國(guó)廠商多采取“低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)”策略，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良性、可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)。

中國(guó)廠商突破競(jìng)爭(zhēng)瓶頸可從兩方面著手：

?FPGA制造工藝從28nm向16nm過(guò)度，并向國(guó)際領(lǐng)先水平7nm靠近，芯片邏輯單元規(guī)模從500K向1M、2M過(guò)度，遠(yuǎn)期可挑戰(zhàn)3D芯片技術(shù)。

?廠商可依托可測(cè)性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、高測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)管理突破質(zhì)量瓶頸，采取“技術(shù)+產(chǎn)品+管理”策略取勝。

芯片開(kāi)發(fā)企業(yè)

中國(guó)市場(chǎng)FPGA研發(fā)企業(yè)可以京微齊力、復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技、智多晶等為例。

應(yīng)用解決方案企業(yè)

應(yīng)用解決方案供應(yīng)商具體可以聯(lián)捷科技、深維科技、傲睿智存為例。

TOP10企業(yè)特點(diǎn)

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)TOP10企業(yè)逐步推進(jìn)FPGA技術(shù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，受制造能力、封測(cè)工藝、IP資源等因素影響，中國(guó)FPGA芯片企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力亟待提升。

紫光同創(chuàng)：推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模FPGA開(kāi)發(fā)軟件Pango Design Suite，可支持千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

高云半導(dǎo)體：推出中國(guó)首顆55nm嵌入式Flash SRAM非易失性FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)可編程邏輯器件、嵌入式處理器無(wú)縫連接。

安路科技：開(kāi)展28nm、12nm千萬(wàn)門(mén)級(jí)、五千萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA、SoC FPGA研發(fā)工作，自主開(kāi)發(fā)HDL描述至片上調(diào)試的完整系統(tǒng)。

遨格芯微：推出中國(guó)首個(gè)通用FPGA產(chǎn)品系列，在軟件及硬件引腳封裝等方面保持較高相互兼容性，支持低中高端嵌入式應(yīng)用和升級(jí)。

復(fù)旦微電子：集成專用超高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高靈活可配置模塊、等適用億門(mén)級(jí)FPGA應(yīng)用的模塊電路。

智多晶：實(shí)現(xiàn)55nm、40nm工藝中密度FPGA量產(chǎn)，自主研發(fā)FPGA開(kāi)發(fā)軟件“HqFpga”,支持布局布線、時(shí)序分析、內(nèi)邏輯分析等任務(wù)。

京微齊力：采用40納米工藝芯片應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具備100項(xiàng)以上FPGA專利及專有技術(shù)（國(guó)際專利）授權(quán)及二次開(kāi)發(fā)權(quán)。

聯(lián)捷科技：研發(fā)基于CNN的圖片分析技術(shù)，推出FPGA加速方案，可將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別速度提升兩倍。

深維科技：側(cè)重于FPGA AI應(yīng)用開(kāi)發(fā)，團(tuán)隊(duì)具備Cadence、IBM、中科院等大廠經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品工程能力占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

傲睿智存：提供新型FPGA視頻轉(zhuǎn)解碼服務(wù)，無(wú)需更換、添加硬件即可支持深度學(xué)習(xí)應(yīng)用直接開(kāi)發(fā)。

FPGA

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)投資企業(yè)推薦

安路科技

安路科技目標(biāo)市場(chǎng)包括高端、中端、低端下游客戶，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，以差異化競(jìng)爭(zhēng)為發(fā)展戰(zhàn)略，以FPGA異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)為重點(diǎn)研究方向之一。

上海安路信息科技企業(yè)簡(jiǎn)介

上海安路信息科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“安路科技”）于2011年11月在上海市虹口區(qū)注冊(cè)成立，是可編程邏輯器件、可編程系統(tǒng)級(jí)芯片、定制化嵌入式eFPGA IP、軟件設(shè)計(jì)工具EDA以及創(chuàng)新系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商。

安路科技目標(biāo)市場(chǎng)包括高端（PHOENIX系列）、中端（EAGLE系列）、低端（ELF系列），安路科技堅(jiān)持產(chǎn)品差異化、服務(wù)本地化、支持連續(xù)化、人才國(guó)際化戰(zhàn)略，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)取國(guó)際FPGA市場(chǎng)份額。

企業(yè)亮點(diǎn)

差異化競(jìng)爭(zhēng)

安路科技于2015年推出第一代FPGA AL3-10芯片，該器件性能優(yōu)良、性價(jià)比超中國(guó)市面同類產(chǎn)品50%或以上，且出貨量滿足規(guī)?；逃眯枨螅猜房萍家劳胁町惢瘍?yōu)勢(shì)于2016年獲取工信部軟件與集成電路促進(jìn)中心“最具投資價(jià)值公司”獎(jiǎng)項(xiàng)。2019年4月，安路科技推出ELF3代系列高性能FPGA產(chǎn)品及相應(yīng)配套開(kāi)發(fā)軟件。安路科技在FPGA核心架構(gòu)、軟件算法、系統(tǒng)集成等方面具備多項(xiàng)技術(shù)專利。

緊跟大廠布局人工智能領(lǐng)域

現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA在云端應(yīng)用已登錄全球六大云服務(wù)中心，云中心多采用搭載FPGA加速器的異構(gòu)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，F(xiàn)PGA芯片成為人工智能算法加速迭代背景下快速驗(yàn)證解決方案。針對(duì)人工智能計(jì)算市場(chǎng)需求，安路科技推出FPAiA系統(tǒng)計(jì)劃，研發(fā)出存儲(chǔ)單元與計(jì)算單云深度融合的FPGA硬件架構(gòu)?？商峁┌―NN算法優(yōu)化、FPAiA硬件位流映射等功能在內(nèi)的自動(dòng)化AI協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2019年4月，安路科技推出ELF3系列高性能FPGA產(chǎn)品及相應(yīng)配套開(kāi)發(fā)軟件。安路科技在FPGA軟件算法、系統(tǒng)集成等方面具備多項(xiàng)技術(shù)專利。

上海安路信息科技產(chǎn)品介紹

安路科技代表產(chǎn)品示例

案例分析

智能LED模組（采用安路EF2系列FPGA）

?LED屏幕顯示亮度增強(qiáng)、色彩趨于鮮艷，多搭載FPGA芯片，LED屏幕主控芯片類似，傳輸接口類似，F(xiàn)PGA芯片價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈。

?安路科技EF2系列FPGA芯片采用新架構(gòu)，以低成本保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，應(yīng)用于LED屏幕滿足屏幕控制、監(jiān)控等需求。

?安路科技基于市場(chǎng)調(diào)研對(duì)EF2 FPGA芯片進(jìn)行二次優(yōu)化，將器件嵌入LED顯示模組，在降低數(shù)據(jù)傳輸EMI的同時(shí)做到監(jiān)控狀態(tài)回傳。

?模組在結(jié)構(gòu)上包括CPU、ADC、異步傳輸接口等，滿足LED全需求。

LED控制系統(tǒng)（采用安路EG4系列FPGA）

?應(yīng)用于千兆以太網(wǎng)同步全彩LED控制系統(tǒng)。

?最多可包括187個(gè)通用輸入輸出接口，無(wú)需引腳復(fù)用即可實(shí)現(xiàn)24組顯示數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

?僅需3.3V、1.2V兩組電源。

?系統(tǒng)可靠性、靈活性較高（支持雙啟動(dòng)、多啟動(dòng)），用戶可對(duì)系統(tǒng)在線升級(jí)。

智多晶

智多晶微電子打造多元、系列化CPLD、FPGA業(yè)務(wù)，目標(biāo)客戶滲透民用安防、國(guó)防建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)55納米、40納米工藝中密度FPGA量產(chǎn)目標(biāo)。

西安智多晶微電子企業(yè)簡(jiǎn)介

西安智多晶微電子有限公司（以下簡(jiǎn)稱“智多晶”）于2012年11月在西安市高新區(qū)注冊(cè)成立，是研究可編程邏輯電路器件技術(shù)并進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)的公司。智多晶在成都、深圳設(shè)立銷售分部。智多晶主要提供可迅速可投入量產(chǎn)的系統(tǒng)集成解決方案，布局高性價(jià)比產(chǎn)品線。智多晶早期提供單一CPLD產(chǎn)品，逐步形成多元、系列化CPLD、FPGA產(chǎn)品線，為下游客戶提供系統(tǒng)解決方案。

現(xiàn)階段，智多晶芯片產(chǎn)品滲入民用安防、國(guó)防建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域。智多晶西安總部位于教學(xué)園區(qū)周邊，另外受西安政府打造千億級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群目標(biāo)帶動(dòng)，智多晶具備環(huán)境優(yōu)勢(shì)。

企業(yè)亮點(diǎn)：

創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)具備豐厚知識(shí)體系、扎實(shí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高，需研發(fā)人員具備龐大知識(shí)體系以及對(duì)技術(shù)、產(chǎn)品市場(chǎng)的融合視野。智多晶四位創(chuàng)始人資歷豐厚，其中CPU專家Jim Keller曾于AMD領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)Ryzen芯片，助力AMD扭轉(zhuǎn)相對(duì)Intel的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。創(chuàng)始人賈紅是可編程邏輯器件版圖設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜?。Joanne是可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)、軟件硬件接口、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域技術(shù)專家，曾主導(dǎo)境外高端可編程邏輯器件在高速數(shù)據(jù)流系統(tǒng)上的應(yīng)用項(xiàng)目。

驗(yàn)證市場(chǎng)需求，推出針對(duì)性解決方案

截至2019年上半年，智多晶已實(shí)現(xiàn)55納米、40納米工藝中密度FPGA量產(chǎn)目標(biāo)，并推出內(nèi)嵌Flash、SDRAM等集成化方案的針對(duì)性產(chǎn)品。其中，55納米海獅FPGA芯片在LED顯示控制領(lǐng)域取得較好市場(chǎng)反饋。LED屏幕結(jié)構(gòu)為分層組合，海獅FPGA支持高速運(yùn)算，可計(jì)算屏幕每個(gè)像素點(diǎn)上顯示色值，進(jìn)而達(dá)到最佳圖像顯示效果?；诤＊{系列產(chǎn)品優(yōu)秀表現(xiàn)，中國(guó)LED龍頭企業(yè)與智多晶簽訂超千萬(wàn)元訂單合同。

智多晶產(chǎn)品體系由Seagull 1000系列、Sealion 2000系列、Sealion 2000T系列、Seal 5000系列、HqFpga軟件、圖像加強(qiáng)系統(tǒng)等系列組成。

西安智多晶微電子產(chǎn)品介紹

Seagull 1000系列

?設(shè)計(jì)方式：正向設(shè)計(jì)

?采用0.162um生產(chǎn)工藝

?裝配低功耗嵌入式閃存（eFlash）存儲(chǔ)單元

?功耗敏感極低，靜態(tài)電流可降至1.0mA

?提供64到256宏單元陣列產(chǎn)品

?差異化競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)：滿足各類客制化CPLD構(gòu)架

Sealion 2000系列

?設(shè)計(jì)方式：正向設(shè)計(jì)

?芯片軟件設(shè)計(jì)流程可對(duì)接ISE、Quartus網(wǎng)表

?具備倍頻、分頻、相位轉(zhuǎn)移等系統(tǒng)時(shí)鐘功能

Seal5000系列

?通用輸入輸出端口支持高速存儲(chǔ)器界面

?應(yīng)用場(chǎng)景：支持商業(yè)與工業(yè)溫度等級(jí)

?具備倍頻、分頻、相位轉(zhuǎn)移等系統(tǒng)時(shí)鐘功能

?支持高速串行并行接口(SERDES)

案例簡(jiǎn)析：

?支持采集端到處理端工業(yè)控制編程需求。

?圖像處理應(yīng)用可能性擴(kuò)大，圖像傳輸實(shí)時(shí)性得到提高。

?支持復(fù)雜算法，保證算力需求。

?在大型生產(chǎn)線場(chǎng)景提高機(jī)器人使用效率

?低成本、高密度、高精度、高處理速度。

高云半導(dǎo)體

高云半導(dǎo)體主攻中低密度FPGA市場(chǎng)，在55納米SRAM制造工藝方面具備成熟產(chǎn)能，開(kāi)始穩(wěn)步推進(jìn)28納米中低密度芯片產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目。

高云半導(dǎo)體企業(yè)簡(jiǎn)介

廣東高云半導(dǎo)體科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“高云半導(dǎo)體”）于2014年1月在廣東省佛山市注冊(cè)成立，是一家提供設(shè)計(jì)軟件、IP核、參照設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)板、定制服務(wù)一體化完整解決方案的高科技企業(yè)。

高云半導(dǎo)體主攻中低密度FPGA市場(chǎng)。截至2019年上半年，高云半導(dǎo)已體開(kāi)放自研EDA集成電路開(kāi)發(fā)軟件下載服務(wù)，版本更新至1.7.9版本。

踐行高云方法論

高云半導(dǎo)體在FPGA芯片產(chǎn)品定義、架構(gòu)設(shè)計(jì)、市場(chǎng)開(kāi)發(fā)等方面積累超過(guò)10年經(jīng)驗(yàn)，前期堅(jiān)持以中低端FPGA領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)市場(chǎng)，穩(wěn)步邁向高端市場(chǎng)。高云半導(dǎo)體已在55納米SRAM制造工藝方面具備成熟產(chǎn)能，同款55納米FPGA在同等密度器件中具備較多輸入輸出端口，并開(kāi)始穩(wěn)步推進(jìn)28納米中低密度芯片產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目。55納米→28納米

覆蓋多元領(lǐng)域下游客戶

截至2019年上半年，高云半導(dǎo)體FPGA產(chǎn)品滲透工業(yè)、車(chē)載、通信、家電、消費(fèi)、IoT等領(lǐng)域，并推出自主研發(fā)的軟件平臺(tái)“云源軟件”。支持線上分析（邏輯分析、靜態(tài)時(shí)序分析、功耗分析）等在線功能，大幅降低用戶產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間成本、優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。

晨熙系列及小蜜蜂系列FPGA芯片為通信、工業(yè)、消費(fèi)電子市場(chǎng)提供低功耗、高安全性、非易失性計(jì)算資源。

產(chǎn)品及解決方案介紹

解決方案契合以太網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)，延長(zhǎng)客戶產(chǎn)品生命周期。其中，“GoAI”加速平臺(tái)相對(duì)傳統(tǒng)微控制器性能提高78倍以上。

案例簡(jiǎn)析：

超低功耗μSoC射頻FPGA

?集成藍(lán)牙5.0低功耗無(wú)線電功能，最低功耗可降至5nA（全芯片關(guān)閉功能實(shí)現(xiàn)）。

?集成32位低功耗ARC處理器和低功耗藍(lán)牙。

?可為傳感器、攝像機(jī)等提供靈活輸入輸出方案。

?接入電源管理單元，支持各級(jí)功耗模式。引領(lǐng)FPGA在邊緣計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新。

基于FPGA的AI解決方案

?解決方案GoAITM針對(duì)邊緣測(cè)試、AI解決方案部署。設(shè)計(jì)流程與AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)框架貼合，便于用戶再開(kāi)發(fā)。

?內(nèi)嵌微控制器支持模型訓(xùn)練、量化及測(cè)試。

?將嵌入式處理器與FPGA加速器融合，繞過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)專用軟件的需求。

FPGA

行業(yè)趨勢(shì)

未來(lái)3至5年內(nèi)，中國(guó)FPGA投資機(jī)會(huì)存在于應(yīng)用平臺(tái)（性質(zhì)接近PaaS）、“FPGA+ASIC”架構(gòu)集成等方面，架構(gòu)集成領(lǐng)域或出現(xiàn)獨(dú)角獸企業(yè)。

應(yīng)用方案層面存在高價(jià)值投資機(jī)會(huì)（平臺(tái)型產(chǎn)品）——他山之石可攻玉

?相對(duì)芯片研發(fā)業(yè)務(wù)，F(xiàn)PGA應(yīng)用方案類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，應(yīng)用場(chǎng)景需求持續(xù)拓展（視頻加速、圖像加速、云渲染、4K高清實(shí)時(shí)直播、云視頻等）

?FPGA應(yīng)用類產(chǎn)品性質(zhì)接近PaaS平臺(tái)，創(chuàng)業(yè)公司基于大廠既有AI數(shù)據(jù)中心包裝用戶端FPGA平臺(tái)。賽靈思、英特爾看好中國(guó)FPGA應(yīng)用市場(chǎng)。

?FPGA應(yīng)用平臺(tái)投資案例（頭部廠商投資戰(zhàn)略可參考）：

①2018年底，英特爾投資聯(lián)捷科技,投資額約2,000萬(wàn)美元。聯(lián)捷科技自身不投入FPGA芯片開(kāi)發(fā)，與阿里巴巴達(dá)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，基于阿里FPGA云端資源，提供針對(duì)電商企業(yè)等類型客戶的應(yīng)用解決方案。

產(chǎn)品模式：聯(lián)捷科技基于阿里FPGA平臺(tái)搭建FPGA圖像加速處理應(yīng)用平臺(tái)Cticel，出售AI視頻加速服務(wù)，客戶購(gòu)買(mǎi)加速通道，支付通道會(huì)員費(fèi)。

投資回報(bào)預(yù)期：投資主體有望于2025年實(shí)現(xiàn)300%至500%投資回報(bào)率，以股權(quán)轉(zhuǎn)讓等形式完成回收。

②2019年8月，全球頭部企業(yè)賽靈思投資傲睿智存，提供基于FPGA的服務(wù)器的超高速存儲(chǔ)服務(wù)。

產(chǎn)品模式：傲睿智存針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用需求，基于賽靈思芯片級(jí)產(chǎn)品包裝商用級(jí)產(chǎn)品，可提供基于視頻、金融大數(shù)據(jù)、人工智能加速等應(yīng)用的超高速存儲(chǔ)服務(wù)。

投資回報(bào)預(yù)期：投資主體有望于3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)超300%的投資回報(bào)率。

芯片集成板塊存在獨(dú)角獸投資機(jī)會(huì)（芯片型產(chǎn)品）——升級(jí)版架構(gòu)

?當(dāng)前邊緣端計(jì)算加速解決方案多采取ASIC芯片，邊緣計(jì)算市場(chǎng)發(fā)展迅猛。

?相對(duì)而言，F(xiàn)PGA在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心端市占率較高，在邊緣端功耗等表現(xiàn)不如ASIC。

?創(chuàng)新案例：美國(guó)某創(chuàng)業(yè)公司（IP核供應(yīng)商）于2019年上半年推出集成ASIC架構(gòu)與FPGA架構(gòu)的全新解決方案“Speed Sger 7T6”，新架構(gòu)產(chǎn)品具備ASIC、FPGA雙重架構(gòu)，在擁有低功耗、低延遲（毫秒級(jí)響應(yīng)）優(yōu)勢(shì)的同時(shí)具備FPGA特性和功能。

該架構(gòu)顯著超越傳統(tǒng)產(chǎn)品，為邊緣端進(jìn)行計(jì)算加速任務(wù)提供新思路。

?中國(guó)市場(chǎng)邊緣端、移動(dòng)端ASIC、FPGA競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系將走向兼容，投資團(tuán)隊(duì)可密切關(guān)注中國(guó)市場(chǎng)架構(gòu)集成投資機(jī)會(huì)，該領(lǐng)域創(chuàng)新企業(yè)或成為芯片級(jí)獨(dú)角獸。

中國(guó)FPGA芯片行業(yè)投資邏輯及風(fēng)險(xiǎn)概述

專家建議未來(lái)5年內(nèi)，投資團(tuán)隊(duì)關(guān)注中國(guó)FPGA市場(chǎng)可依據(jù)先C端后B端，先應(yīng)用場(chǎng)景后技術(shù)開(kāi)發(fā)，先產(chǎn)品級(jí)后芯片級(jí)的投資邏輯注入資金。

投資邏輯

?由C端至B端：中國(guó)范圍C端市場(chǎng)（應(yīng)用側(cè)）易出爆款，短期內(nèi)高清云游戲、高清視頻可催生大量應(yīng)用場(chǎng)景。隨用戶端應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)量增加，設(shè)備對(duì)底層計(jì)算資源依賴度提升，市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)容較快，專家建議投資團(tuán)隊(duì)尋找有應(yīng)用落地價(jià)值的細(xì)分場(chǎng)景進(jìn)行投資（金融大數(shù)據(jù)分析、圖像視頻處理、基因測(cè)序、精準(zhǔn)醫(yī)療、語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別等）。C端應(yīng)用成熟后，投資團(tuán)隊(duì)可集中考慮B端需求，被投對(duì)象可集成解決方案、FPGA第三方，自主開(kāi)發(fā)PaaS平臺(tái)，針對(duì)銀行客戶、政府客戶等提供產(chǎn)品化服務(wù)。

?由場(chǎng)景至技術(shù)：FPGA芯片底層技術(shù)研發(fā)難度高，投入大，專家建議投資團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)從場(chǎng)景投資逐步過(guò)渡至技術(shù)投資，技術(shù)投資思路可參考?？?、大華、深鑒科技等企業(yè)研發(fā)模式。該類企業(yè)利用FPGA半定制化基礎(chǔ)做邊緣側(cè)芯片（傾向人臉識(shí)別、安防軌跡跟蹤、新零售場(chǎng)景攝像頭等），該類技術(shù)基于既有硬件做再開(kāi)發(fā)，投資風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)底層技術(shù)研發(fā)較小。

投資風(fēng)險(xiǎn)

芯片研發(fā)方面，初創(chuàng)企業(yè)如無(wú)大廠支持，易面臨資金、技術(shù)困境。

風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避：

避免購(gòu)置大量FPGA硬件：投資對(duì)象可采用阿里云、騰訊云等數(shù)據(jù)中心提供的FPGA云服務(wù)。

爭(zhēng)取政府資金支持：如在政府資金支持下，新疆某云渲染數(shù)據(jù)中心大量部署GPU、FPGA基礎(chǔ)硬件。

深挖應(yīng)用場(chǎng)景輸出功能特性服務(wù)：無(wú)法于短期內(nèi)迅速提升競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)可推出針對(duì)細(xì)分場(chǎng)景的專用FPGA芯片，僅輸出算法，經(jīng)由代工廠推出芯片，在得到應(yīng)用場(chǎng)景市場(chǎng)驗(yàn)證的背景下提供具備針對(duì)性功能特性的板卡解決方案。

原文標(biāo)題：FPGA芯片行業(yè)科普

文章出處：【微信公眾號(hào)：FPGA技術(shù)江湖】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq