FPGA的前世今生

FPGA(Field-ProgrammableGateArray)，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展的產物。

它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，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。

FPGA芯片由輸入/輸出塊、可配置邏輯塊和可編程互聯三部分組成，同一片FPGA，不同的編程數據，可以產生不同的電路功能，因此FPGA的使用非常靈活。

FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。它的應用領域包括航空航天/國防、消費電子、工業、電子通訊等。

架構方面，FPGA擁有大量的可編程邏輯單元，可以根據客戶定制來做針對性的算法設計。除此以外，在處理海量數據的時候，FPGA相比于CPU和GPU，獨到的優勢在于:FPGA更接近IO。換句話說，FPGA是硬件底層的架構。

比如，數據采用GPU計算，它先要進入內存，并在CPU指令下拷入GPU內存，在那邊執行結束后再拷到內存被CPU繼續處理，這過程并沒有時間優勢;

而使用FPGA的話，數據I/O接口進入FPGA，在里面解幀后進行數據處理或預處理，然后通過PCIE接口送入內存讓CPU處理，一些很底層的工作已經被FPGA處理完畢了(FPGA扮演協處理器的角色)，且積累到一定數量后以DMA形式傳輸到內存，以中斷通知CPU來處理，這樣效率就高得多。

性能方面，雖然FPGA的頻率一般比CPU低，但CPU是通用處理器，做某個特定運算(如信號處理，圖像處理)可能需要很多個時鐘周期，而FPGA可以通過編程重組電路，直接生成專用電路，加上電路并行性，可能做這個特定運算只需要一個時鐘周期。

比如一般CPU每次只能處理4到8個指令，在FPGA上使用數據并行的方法可以每次處理256個或者更多的指令，讓FPGA可以處理比CPU多很多的數據量。

舉個例子，CPU主頻3GHz，FPGA主頻200MHz，若做某個特定運算CPU需要30個時鐘周期，FPGA只需一個，則耗時情況:CPU:30/3GHz=10ns;FPGA:1/200MHz=5ns。可以看到，FPGA做這個特定運算速度比CPU塊，能幫助加速。

快速成長的FPGA市場

2018年全球FPGA市場約為60億美金左右，預計隨著AI+5G的應用展開，市場容量有望在2025年達到125億美金左右的規模，年復合增長率10.22%。

同時在亞太地區尤其在中國，新興基礎建設應用的鋪開，FPGA的復合增速將有望顯著優于其他地區，而成為FPGA重要的市場抓手。

在下游應用領域，電子通訊仍然占據了主要的市場份額，達到40%左右，這其中5G+AI都是主要的需求;而增速最快的是汽車，CAGR將至13.1%。

從供應鏈角度看，FPGA生產廠商處于整個電子行業的上游，并多數以Fabless的模式運營(Altera除外，已被Intel收購，屬于IDM)，FPGA同樣追求最先進的工藝制程和節點，目前最先進的FPGA采用7nm工藝制程，由Xilinx率先發布，臺積電制造。

目前FPGA的主要產業鏈供應商仍然集中在歐美地區，以Altera(被Intel收購)，和Xilinx兩家為主。兩家合計額的市場份額占到72%。

FPGA行業是一個高進入壁壘領域，市場前景誘人。由于FPGA軟件開發難度大，需要最先進的制造封測工藝、IP多且雜，因此中國目前的發展存在嚴重滯后。

從信息、產業和國防安全等方面考慮，中國一定會加速FPGA的國產化，政府對國有半導體產業會有一定力度的扶持。

此外在AI、LoT、5G快速發展的推動下，中國將有龐大的FPGA增量市場。因此，這是國內FPGA廠商快速切入的時機。

國內FPGA廠商有上海復旦微，紫光同創、京微雅格、高云半導體、上海安路、西安智多晶等，但是同國外領先廠商相比，國產FPGA廠商不論從產品性能、功耗、功能上都有較大差距。

“5G+AI”帶來FPGA新增長引擎

FPGA在電子通信領域增加帶寬的應用有望得到迅速擴張，以5G+AI為主要應用場景的需求將迅速提升FPGA的市場容量。

電子通訊領域的迅猛發展有望推動FPGA市場的擴張。智能手機和移動設備的不斷增長增加了電子通訊網絡的負擔。

全世界范圍內城市和農村地區的網絡用戶數量都在不斷增長，導致了諸如3G、4GLTE和5G等網絡技術的廣泛應用，并產生了電子通訊領域對網絡的旺盛需求。

與FPGAs耦合的設備高帶寬收發器被用來滿足這一需求。

小的FPGA設備提供接口和控制功能，大的設備可以使用一個或多個FPGAs完成系統設計。

將硬IP集成到公共接口和處理功能中大大提高了FPGA在網絡應用中的生產率。

此外，硅工藝的引入極大增加了邏輯單元的最大數量。這些特性使得FPGA在電信行業的應用中具有吸引力。

隨著人工智能領域等方面的展開，FPGA也受到了越來越多的異構計算方面的青睞。人工智能算法所需要的復雜并行電路的設計思路適合用FPGA實現。

FPGA計算芯片布滿“邏輯單元陣列”，內部包括可配置邏輯模塊，輸入輸出模塊和內部連線三個部分，相互之間既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的獨立基本邏輯單元。

注意FPGA與傳統馮諾伊曼架構的最大不同之處在于內存的訪問。FPGA在本質上是用硬件來實現軟件的算法，因此在實現復雜算法方面有一些難度。

FPGA相對于CPU與GPU有明顯的能耗優勢，主要有兩個原因。首先，在FPGA中沒有取指令與指令譯碼操作，在Intel的CPU里面，由于使用的是CISC架構，僅僅譯碼就占整個芯片能耗的50%;在GPU里面，取指令與譯碼也消耗了10%~20%的能耗。

其次，FPGA的主頻比CPU與GPU低很多，通常CPU與GPU都在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠低于CPU與GPU。

Intel167億美元收購Altera，IBM與Xilinx的合作，都昭示著FPGA領域的變革，未來也將很快看到FPGA與個人應用和數據中心應用的整合。

FPGA在功耗和性能上相對同等級的CPU,有較大的優勢。CPU+FPGA在人工智能深度學習領域，將會是未來的一個重要發展方向。

在5G通信領域，FPGA是基站單元BBU里進行數字計算的重要環節。

射頻前端信號在轉化為數字信號后，需要使用FPGA來計算。

FPGA提供軟件、硅、硬件等參考設計工具，這些工具允許用戶使用最少的HDL知識或任何其他FPGA特定語言開發嵌入式系統。這些工具的使用使得基于FPGA的系統的速度已經顯著增加。

FPGAs的主要優點是具有重新編程的靈活性，并兼具成本優勢。

它也能夠實現任何ASICs能實現的邏輯功能。同時，應用DSP和FPGA組合可使成本降低。對于無線基站，FPGA和DSP可編程邏輯的系統配分，可促使更大的產品設計和市場成功率。

基站的建設帶動FPGA增長

小基站需求迅速增長，出貨量將超過2000萬個。

Dell'OroGroup發布了一份《移動無線接入網五年預測報告》，該報告預測，接下來的5年時間里，運營商對于宏基站、小基站的需求將會是“迅猛式”，同時了解到,這份報告預測，基站出貨量將超過2000萬個,5G新空口大規模天線陣列(MassiveMIMO)收發器的出貨量將超過5000萬個。

2018年美國小基站增速達560%。美國無線通信和互聯網協會(CTIA)近日發布市場調研報告，其中顯示，截至2017年末，美國在網正常運行的移動通信基站總數量是32.3448萬個，在過去的10年時間中增加了52%;而且尤其這得一提的是，“基站的密集部署”成為發展趨勢---小基站數量從2017年的1.3萬個猛升至2018年的8.6萬個，增幅高達560%，而且預計在5G時代仍將保持高增速。

FPGA在通信發展中的重要地位，通訊的發展帶來FPGA量價齊升。

通信行業講的云主要包括核心網及各種服務器中心，在大數據和云計算沒有規模應用之前，核心網設備里面基本沒有FPGA，因為核心網所處理的協議其實非常標準化，變化不是太大，我們常見的2G-3G-4G以及即將到來的5G，其標準的核心部分實際上主要體現在物理層和邏輯層，而這些功能主要在管道(基站、基站控制、承載、傳輸等產品)中實現，這些標準變化快，各設備廠家為了搶占產品和技術的制高點，甚至在標準還未凍結之前就推出原型樣機甚至小批量，而這只有FPGA能做到。

一般來講越往終端側靠近，設備的數量越多，用的FPGA量也越多，越靠近核心網側用的FPGA數量越少，但FPGA芯片的型號越高端，單片更貴。

基站側用的FPGA總價高，隨著5G部署，全球基站數有望破億。

基站的量非常大，基站雖然和手機的量沒法比，但遠多于核心網數量，據不完全統計，全球存量基站有數千萬(5G部署后，可能會輕松破億)，每個基站里面有數塊到10數塊板子(根據配置不同而不同)，除了電源和風扇板子沒有FPGA芯片外，幾乎每塊板子都有FPGA芯片，有的還不止一顆。

其次，基站里面用的FPGA型號也不會太低端，因為要處理復雜的物理協議、部分算法和邏輯控制，接口速率更是一個重要的考慮。

一般來講，基站中的芯片價格在一百到數千元人民幣不等。價格過高比如幾千甚至上萬人民幣的芯片，最多在初期原型驗證用，不會大規模發貨。

最后，基站主要負責實現通信協議中物理層、邏輯鏈路層的協議部分，這部分內容每年都在升級，而且也比較適合FPGA來實現。

我們可以看到，一個5G基站對FPGA需求量幾乎是一個4G基站需求量的兩倍，5G基站硅的價值量約為4G基站的1.7倍，FPGA的價值量比4G基站多大約1000美元的價值量。

由此我們可以測算，將1000個4G基站替換成5G基站，帶來的FPGA的價值量提升約為100萬美元，據wind數據，中國移動2016年的4G基站數就有151萬個;若直接新建1000個5G基站則將帶來接近300萬美元的價值增量，而現在的基站存量就有幾千萬個。隨著基站出貨量的激烈增長及5G的部署，FPGA將迎來迅猛的增長。