详述FPGA技术现状和发展机遇

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一、FPGA的前世今生


FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA芯片由输入/输出块、可配置逻辑块和可编程互联三部分组成，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此FPGA的使用非常灵活。

FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。它的应用领域包括航空航天/国防、消费电子、工业、电子通讯等。

架构方面，FPGA拥有大量的可编程逻辑单元，可以根据客户定制来做针对性的算法设计。除此以外，在处理海量数据的时候，FPGA相比于CPU和GPU，独到的优势在于:FPGA更接近IO。换句话说，FPGA是硬件底层的架构。

比如，数据采用GPU计算，它先要进入内存，并在CPU指令下拷入GPU内存，在那边执行结束后再拷到内存被CPU继续处理，这过程并没有时间优势;
而使用FPGA的话，数据I/O接口进入FPGA，在里面解帧后进行数据处理或预处理，然后通过PCIE接口送入内存让CPU处理，一些很底层的工作已经被FPGA处理完毕了(FPGA扮演协处理器的角色)，且积累到一定数量后以DMA形式传输到内存，以中断通知CPU来处理，这样效率就高得多。

性能方面，虽然FPGA的频率一般比CPU低，但CPU是通用处理器，做某个特定运算(如信号处理，图像处理)可能需要很多个时钟周期，而FPGA可以通过编程重组电路，直接生成专用电路，加上电路并行性，可能做这个特定运算只需要一个时钟周期。

比如一般CPU每次只能处理4到8个指令，在FPGA上使用数据并行的方法可以每次处理256个或者更多的指令，让FPGA可以处理比CPU多很多的数据量。

举个例子，CPU主频3GHz，FPGA主频200MHz，若做某个特定运算CPU需要30个时钟周期，FPGA只需一个，则耗时情况:CPU:30/3GHz=10ns;FPGA:1/200MHz=5ns。可以看到，FPGA做这个特定运算速度比CPU块，能帮助加速。

二、快速成长的FPGA市场


2018年全球FPGA市场约为60亿美金左右，预计随着AI+5G的应用展开，市场容量有望在2025年达到125亿美金左右的规模，年复合增长率10.22%。

同时在亚太地区尤其在中国，新兴基础建设应用的铺开，FPGA的复合增速将有望显著优于其他地区，而成为FPGA重要的市场抓手。

在下游应用领域，电子通讯仍然占据了主要的市场份额，达到40%左右，这其中5G+AI都是主要的需求;而增速最快的是汽车，CAGR将至13.1%。

从供应链角度看，FPGA生产厂商处于整个电子行业的上游，并多数以Fabless的模式运营(Altera除外，已被Intel收购，属于IDM)，FPGA同样追求最先进的工艺制程和节点，目前最先进的FPGA采用7nm工艺制程，由Xilinx率先发布，台积电制造。

目前FPGA的主要产业链供应商仍然集中在欧美地区，以Altera(被Intel收购)，和Xilinx两家为主。两家合计额的市场份额占到72%。

FPGA行业是一个高进入壁垒领域，市场前景诱人。由于FPGA软件开发难度大，需要最先进的制造封测工艺、IP多且杂，因此中国目前的发展存在严重滞后。

从信息、产业和国防安全等方面考虑，中国一定会加速FPGA的国产化，政府对国有半导体产业会有一定力度的扶持。

此外在AI、LoT、5G快速发展的推动下，中国将有庞大的FPGA增量市场。因此，这是国内FPGA厂商快速切入的时机。

国内FPGA厂商有上海复旦微，紫光同创、京微雅格、高云半导体、上海安路、西安智多晶等，但是同国外领先厂商相比，国产FPGA厂商不论从产品性能、功耗、功能上都有较大差距。



三、“5G+AI”带来FPGA新增长引擎


FPGA在电子通信领域增加带宽的应用有望得到迅速扩张，以5G+AI为主要应用场景的需求将迅速提升FPGA的市场容量。

电子通讯领域的迅猛发展有望推动FPGA市场的扩张。智能手机和移动设备的不断增长增加了电子通讯网络的负担。

全世界范围内城市和农村地区的网络用户数量都在不断增长，导致了诸如3G、4GLTE和5G等网络技术的广泛应用，并产生了电子通讯领域对网络的旺盛需求。

与FPGAs耦合的设备高带宽收发器被用来满足这一需求。

小的FPGA设备提供接口和控制功能，大的设备可以使用一个或多个FPGAs完成系统设计。

将硬IP集成到公共接口和处理功能中大大提高了FPGA在网络应用中的生产率。

此外，硅工艺的引入极大增加了逻辑单元的最大数量。这些特性使得FPGA在电信行业的应用中具有吸引力。

随着人工智能领域等方面的展开，FPGA也受到了越来越多的异构计算方面的青睐。人工智能算法所需要的复杂并行电路的设计思路适合用FPGA实现。

FPGA计算芯片布满“逻辑单元阵列”，内部包括可配置逻辑模块，输入输出模块和内部连线三个部分，相互之间既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的独立基本逻辑单元。

注意FPGA与传统冯诺伊曼架构的最大不同之处在于内存的访问。FPGA在本质上是用硬件来实现软件的算法，因此在实现复杂算法方面有一些难度。

FPGA相对于CPU与GPU有明显的能耗优势，主要有两个原因。首先，在FPGA中没有取指令与指令译码操作，在Intel的CPU里面，由于使用的是CISC架构，仅仅译码就占整个芯片能耗的50%;在GPU里面，取指令与译码也消耗了10%~20%的能耗。

其次，FPGA的主频比CPU与GPU低很多，通常CPU与GPU都在1GHz到3GHz之间，而FPGA的主频一般在500MHz以下。如此大的频率差使得FPGA消耗的能耗远低于CPU与GPU。

Intel167亿美元收购Altera，IBM与Xilinx的合作，都昭示着FPGA领域的变革，未来也将很快看到FPGA与个人应用和数据中心应用的整合。

FPGA在功耗和性能上相对同等级的CPU,有较大的优势。CPU+FPGA在人工智能深度学习领域，将会是未来的一个重要发展方向。

在5G通信领域，FPGA是基站单元BBU里进行数字计算的重要环节。
射频前端信号在转化为数字信号后，需要使用FPGA来计算。

FPGA提供软件、硅、硬件等参考设计工具，这些工具允许用户使用最少的HDL知识或任何其他FPGA特定语言开发嵌入式系统。这些工具的使用使得基于FPGA的系统的速度已经显著增加。

FPGAs的主要优点是具有重新编程的灵活性，并兼具成本优势。

它也能够实现任何ASICs能实现的逻辑功能。同时，应用DSP和FPGA组合可使成本降低。对于无线基站，FPGA和DSP可编程逻辑的系统配分，可促使更大的产品设计和市场成功率。



四、基站的建设带动FPGA增长

小基站需求迅速增长，出货量将超过2000万个。

Dell\\\'OroGroup发布了一份《移动无线接入网五年预测报告》，该报告预测，接下来的5年时间里，运营商对于宏基站、小基站的需求将会是“迅猛式”，同时了解到,这份报告预测，基站出货量将超过2000万个,5G新空口大规模天线阵列(MassiveMIMO)收发器的出货量将超过5000万个。

2018年美国小基站增速达560%。美国无线通信和互联网协会(CTIA)近日发布市场调研报告，其中显示，截至2017年末，美国在网正常运行的移动通信基站总数量是32.3448万个，在过去的10年时间中增加了52%;而且尤其这得一提的是，“基站的密集部署”成为发展趋势---小基站数量从2017年的1.3万个猛升至2018年的8.6万个，增幅高达560%，而且预计在5G时代仍将保持高增速。


FPGA在通信发展中的重要地位，通讯的发展带来FPGA量价齐升。


通信行业讲的云主要包括核心网及各种服务器中心，在大数据和云计算没有规模应用之前，核心网设备里面基本没有FPGA，因为核心网所处理的协议其实非常标准化，变化不是太大，我们常见的2G-3G-4G以及即将到来的5G，其标准的核心部分实际上主要体现在物理层和逻辑层，而这些功能主要在管道(基站、基站控制、承载、传输等产品)中实现，这些标准变化快，各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点，甚至在标准还未冻结之前就推出原型样机甚至小批量，而这只有FPGA能做到。

一般来讲越往终端侧靠近，设备的数量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心网侧用的FPGA数量越少，但FPGA芯片的型号越高端，单片更贵。

基站侧用的FPGA总价高，随着5G部署，全球基站数有望破亿。


基站的量非常大，基站虽然和手机的量没法比，但远多于核心网数量，据不完全统计，全球存量基站有数千万(5G部署后，可能会轻松破亿)，每个基站里面有数块到10数块板子(根据配置不同而不同)，除了电源和风扇板子没有FPGA芯片外，几乎每块板子都有FPGA芯片，有的还不止一颗。

其次，基站里面用的FPGA型号也不会太低端，因为要处理复杂的物理协议、部分算法和逻辑控制，接口速率更是一个重要的考虑。

一般来讲，基站中的芯片价格在一百到数千元人民币不等。价格过高比如几千甚至上万人民币的芯片，最多在初期原型验证用，不会大规模发货。

最后，基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分，这部分内容每年都在升级，而且也比较适合FPGA来实现。

我们可以看到，一个5G基站对FPGA需求量几乎是一个4G基站需求量的两倍，5G基站硅的价值量约为4G基站的1.7倍，FPGA的价值量比4G基站多大约1000美元的价值量。

由此我们可以测算，将1000个4G基站替换成5G基站，带来的FPGA的价值量提升约为100万美元，据wind数据，中国移动2016年的4G基站数就有151万个；若直接新建1000个5G基站则将带来接近300万美元的价值增量，而现在的基站存量就有几千万个。随着基站出货量的激烈增长及5G的部署，FPGA将迎来迅猛的增长。

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