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時間：2023.04.25

振華航空芯資訊：面對賽靈思/Altera壟斷，國內FPGA廠商如何破局？

有人把它比作集成電路領域的“橡皮泥”，還有人稱其為可編程的“萬能芯片”，作為四大通用集成電路芯片之一，其重要性與CPU、存儲器、DSP齊平。

它是何方神圣？

我們來了解一下。

FPGA，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物，是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內部連接結構和邏輯單元，完成既定設計功能的數字集成電路。既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

特別是在云計算、大數據、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網等技術成為電子信息產業(yè)新熱點之際，FPGA在這些領域之中都發(fā)揮著不可替代的作用。中國既是FPGA的重要應用市場，也在FPGA產業(yè)上具有一定的基礎。近年來，中國廠商在國際FPGA產業(yè)生態(tài)中開始擁有著相應地位。國家在扶持CPU、存儲器等集成電路產業(yè)之后，提前布局大數據、云計算產業(yè)，推動FPGA的發(fā)展已箭在弦上。

FPGA的優(yōu)勢和不足

FPGA優(yōu)點包括可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計算可編程靈活性高等。

可編程靈活性高：與ASIC的全定制電路不同，FPGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門電路規(guī)模足夠大，通過編程可以實現任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復，不像ASIC設計后固化不能修改。所以，FPGA的靈活性也較高。實際應用中，FPGA的現場可重復編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，而不是替換和設計芯片（設計和）時間成本巨大），甚至FPGA可通過因特網進行遠程升級。

開發(fā)周期短：ASIC制造流程包括邏輯實現、布線處理和流片等多個步驟，而FPGA無需布線、掩模和定制流片等，芯片開發(fā)流程簡化，FPGA比ASIC的設計流程大幅減小。

并行計算效率高：FPGA屬于并行計算，一次可執(zhí)行多個指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計算，一次只能處理一個指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加頻率，所以ASIC、CPU的主頻一般較高。FPGA雖然普遍主頻較低，但對部分特殊的任務，大量相對低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高。另外，從某種角度上說，FPGA內部其實并沒有所謂的“計算”，最終結果幾乎是類似于ASIC“電路直給”，因此執(zhí)行效率就大幅提高。

目前制約FPGA發(fā)展的主要因素分別是：成本、功耗和編程設計。

成本：對于小批量多批次的專用控制設別（如雷達、航天飛機、汽車電子、路由器，這些高價值、批量相對較小、多通道計算的專用設備）采用FPGA更加經濟劃算。但是，對于流片量大（大概5萬次以上）的芯片，FPGA成本更高，隨著流片量的增加成本越來越高。

功耗：FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因為FPGA廠商并不知道下游的具體需求應用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門電路（其實很多沒有使用到），行業(yè)深度報告:FPGA—大數據和物聯(lián)網時代大有可為國防、汽車等，這些領域對低功耗要求不高。

編程設計：FPGA的發(fā)展中，軟件將占據60%的重要程度。除了考慮芯片架構，編程設計時還要考慮應用場景多樣性、復雜性和效率。FPGA編程需要采用的專用工具進行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術門檻非常高。

FPGA應用領域

具體細分領域來看，在FPGA被用于深度學習之前，FPGA主要有3大應用方向：通信設備的高速接口電路設計；數字信號處理方向/數學計算方向，包括圖像處理，雷達信號處理，醫(yī)學信號處理等，優(yōu)勢是實時性好，用面積換速度，比CPU快的多；SOPC，即利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設計者在上面進行嵌入式軟件開發(fā)。

<section data-brushtype="text" data-style="padding-right: 5px; padding-left: 5px; max-inline-size: 100%; height: 41px; background-image: url(" wx_fmt="png");" background-size:="" line-height:="" box-sizing:="" border-box="" overflow-wrap:="" break-word="" outline:="" none="" 0px="">中國FPGA機遇何在？

中國FPGA市場國產化率非常低，政府部門國產應用率不足30%，還有很大提升空間，商用市場國產化率就更低，形勢不容樂觀。

為了滿足經濟發(fā)展和國防需求，打破國外壟斷，中國政府多年來投入了數百億科研經費，通過逆向工程方式仿制美國對我禁運的FPGA產品。

不過，由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商，其它廠商人才匱乏，再加上FPGA開發(fā)需要最先進的制造封測工藝、軟件開發(fā)難度大、IP多且雜，需要大量應用才能支撐市場，因此中國目前的發(fā)展存在嚴重滯后的問題。

當然，這也是國內廠商的發(fā)展機會，從信息、產業(yè)和國防安全等方面考慮，中國不僅需要自主FPGA，而且還需要將其快速國產化。

我們不得不承認國產FPGA產業(yè)與國際巨頭還存在較大的差距，不論從產品性能、功能、功耗、軟件、應用支撐以及成本上都有差距。

但是，中國擁有超過50億元的FPGA市場。中國的可編程器件市場將持續(xù)保持年均30%以上的增長速度。諸如航天航空、信息安全、知識產品保護等國內一些重要研究部門急需也長期需要FPGA用于國家安全和重點應用。

此外，中國電子產品市場要求敏捷快速的研發(fā)周期和少量多樣的產品形態(tài)，最適合FPGA應用。以及在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下，預計將帶來龐大的FPGA增量市場，而這也是國內廠商快速切入的時機。

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