FPGA诞生至今已有近40年，在这40年里，全球有60多家公司先后斥资数亿至数十亿美元不等，前赴后继地尝试登顶FPGA高地，其中不乏英特尔、IBM、德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星这样的行业顶级大咖，但是最终为行业认可的，只有赛灵思、Altera、Lattice和Microsemi，这四家都是来自美国硅谷的公司，其中赛灵思和Altera常年占据榜一榜二地位，拥有超过70%的市场份额。

FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片是基于可编程器件（PAL、GAL）发展而来，是半定制化、可编程的集成电路。赛灵思联合创始人Ross Freeman于1984年发明FPGA集成电路结构。全球第一款商用FPGA芯片为赛灵思XC4000系列FPGA产品。

FPGA特点及分类

FPGA芯片在实时性、灵活性等方面具备显著优势，在深度学习领域占据不可替代地位，同时具有开发难度高的特点，具体来说：

• 适用性强：是专用电路中开发周期最短、应用风险最低的器件之一（部分客户无需投资研发即可获得适用FPGA芯片）；

• 并行计算：FPGA内部结构可按数据包步骤多少搭建相应数量流水线，不同流水线处理不同数据包，实现流水线并行、数据并行功能；

• 兼容性强：FPGA芯片可与CMOS、TTL等大规模集成电路兼容，协同完成计算任务；

• 设计灵活：属于硬件可重构的芯片结构，内部设置数量丰富的输入输出单元引脚及触发器；

• 地位提升：早期在部分应用场景是ASIC芯片的批量替代品；近年来，随微软等头部互联网企业数据中心规模扩大，FPGA芯片应用范围扩大。

FPGA厂商主要提供基于两种技术类型的FPGA芯片：Flash技术类、SRAM技术类（Static Random-access Memory，静态随机存取存储器）。两类技术均可实现系统层面编程功能，具备较高计算性能，系统门阵列密度均可超过1兆。

核心区别：基于Flash的可编程器件具备非易失性特征，即电流关闭后，所存储数据不消失。而基于SRAM技术的FPGA芯片不具备非易失性特征，是应用范围最广泛的架构。

FPGA芯片与其他主流芯片对比

FPGA vs. CPU

作为通用型计算任务处理核心，CPU可处理来自多个设备的计算请求，可随时终止当前运算，转向其他运算。逻辑控制单元及指令翻译结构也较为复杂，可以从中断点继续计算任务，为实现高度通用性CPU放弃了相当程度的计算效率。

以CPU和FPGA为架构的视觉算法举例比较：CPU架构下，多重指令按顺序依次执行，执行时间为单独指令耗时叠加；而FPGA架构下，采用规模化并行运算模式，可与图像不同像素内同时运行多指令，基本以单个指令最长耗时为执行时间，处理速度明显高于CPU。“FPGA+CPU”的架构下，图像在CPU与FPGA之间传输，包含传输时间在内的算法整体处理时间仍低于纯CPU架构。

FPGA vs. GPU

GPU为图形处理器，其物理结构针对各类计算机图形绘制行为进行运算（如顶点设置、光影操作、像素操作等），标准GPU包括2D引擎、3D引擎、视频处理引擎、显存管理单元等。其中，3D引擎包含T&L单元、 Pixel Shader等。GPU处理计算指令流程为：顶点处理、光栅化计算、纹理贴图、像素处理，确定像素最终属性，多通过像素着色器完成。

与FPGA对比，GPU计算峰值显著高于FPGA，其架构依托深度流水线等技术可基于标准单元库实现手工电路定制，由此带来在功耗上，GPU 平 均 功 耗 （200W） 远 高 于 FPGA 平 均 功 耗（10W）。FPGA设计资源相对受限，型号选择决定逻辑资源上限（浮点运算资源占用较高），FPGA逻辑单元基于SRAM查找表，布线资源受限。而在内存接口方面，GPU内存接口带宽优于FPGA使用的DDR接口，满足机器学习频繁访问内存需求。

但FPGA可根据特定应用编程硬件，GPU设计完成后无法改动硬件资源，远期机器学习使用多条指令平行处理单一数据，FPGA硬件资源灵活性更能满足需求。

FPGA vs. ASIC

ASIC芯片专用度高，由此导致流片成本极高，5G商用普及初期，FPGA可依托灵活性抢占市场，除非到规模化量产场景下，否则ASIC芯片不具备竞争优势；在开发流程方面，ASIC需从标准单元进行设计，功能需求及性能需求发生变化时，ASIC芯片设计需经历重新投片，设计流程时间成本、经济成本较高。FPGA包括预制门和触发器，具备可编程互连特性，可实现芯片功能重新配置。

因此，ASIC与FPGA经济成本、时间成本也就有所区别：ASIC设计过程涉及固定成本，设计过程造成材料浪费较少，相对FPGA重复成本较低，非重复成本较高。FPGA重复成本高于同类ASIC芯片，规模化量产场景下，ASIC芯片单位IC成本随产量增加持续走低，总成本显著低于FPGA芯片。

FPGA无需等待芯片流片周期，编程后可直接使用，相对ASIC有助于企业节省产品上市时间。技术未成熟阶段，FPGA架构支持灵活改变芯片功能，有助于降低器件产品成本及风险，更适用于5G商用初期的市场环境。

FPGA头部企业齐聚上海国际嵌入式展

赛灵思（现已并入AMD）是FPGA、可编程SoC及ACAP的发明者， 其高度灵活的可编程芯片由一系列先进的软件和工具提供支持，可推动跨行业和多种技术的快速创新 - 从消费电子类到汽车类再到云端。

在超过五十年的历史中，AMD（超威半导体）引领了高性能运算、图形，以及可视化技术方面的创新。全球数以亿计的人们、领先的 500 强公司，以及尖端科学研究所都依靠 AMD 技术来改善他们的生活、工作以及娱乐。AMD 员工致力于打造领先的高性能和自适应产品，努力拓宽技术的极限。成就今日，启迪未来。

莱迪思（Lattice Semiconductor）的FPGA产品范围覆盖低中端，专注于低功耗器件，应用遍及通信、计算、工业、汽车和消费类等迅速增长的市场，以此帮助客户解决从边缘到云的网络问题。Lattice推出了：iCE（堪称世界上最小的超低功耗FPGA）、CrossLink和CrossLinkPlus（针对高速视频和传感器应用进行了优化）、MachXO（针对桥接、扩展、平台管理和安全应用进行了优化）和ECP（针对连接和加速应用的通用器件）四个主要的FPGA系列。

此外，Lattice还推出了诸多设计和验证工具套件，包括Lattice Diamond软件（用于CrossLink/CrossLinkPlus、MachXO和ECP器件）、Lattice Radiant软件（用于iCE FPGA和未来架构）、LatticeMico（用于创建基于软微处理器设计的图形工具），以及Lattice sensAI堆栈和神经网络编译器（用于人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 设计）。

FPGA的下游应用及前景

FPGA下游应用场景广泛，需求稳健增长，主要覆盖网络通信（5G）、工业物联网、消费电子、数据中心、汽车电子（自动驾驶）、人工智能（AI）等领域。其中，网络通信、消费电子、汽车电子是其主要应用场景，占比总需求 80%以上。未来在5G、AI、数据中心、自动驾驶等高算力需求推动下，FPGA芯片市场需求量增长具确定性。另外，随着Intel、AMD等公司逐步在高算力场景中将CPU与FPGA结合，加大对异构计算的投入，全球 FPGA市场规模还会进一步打开。据 Frost&Sullivan预计，全球 FPGA 市场规模2025年将有望达到125.8亿美元，16-25年平均CAGR约为 11%。

FPGA更有前景的市场是数据中心

数据中心是FPGA 芯片的新兴应用市场之一，低延迟+高吞吐奠定了FPGA的核心优势。数据中心FPGA 主要用于硬件加速，相比传统的 CPU 方案后，处理自定义算法时可实现显著的加速效果：如微软 Catapult 项目在数据中心使用FPGA 代替 CPU 方案后，处理 Bing 的自定义算法时快出 40 倍，加速效果显著。因此，从 2016 年开始，微软 Azure、亚马逊 AWS、阿里云的服务器上都开始部署 FPGA 加速器用于运算加速。在疫情加速全球数字化转型的背景下，未来数据中心对芯片性能的要求将进一步提高，更多数据中心将采纳 FPGA 芯片方案，这也将提高 FPGA 芯片在数据中心芯片中的价值占比。

数据来源：Gartner，Cisco，中国IDC圈，方正证券

自动驾驶规模化商用提升FPGA量产需求

在汽车行业从ADAS向全面自动驾驶持续演进的过程中，通过采用FPGA的异构计算平台，能够处理因传感器数量增多所带来的数据爆炸性增长，缩短将多传感器同步和融合所带来的系统整体响应时间，并提升灵活性和扩展性，实现从边缘传感器到域控制器的可扩展性，同时提供动态重编程能力，降低系统成本与损耗。另外，FPGA还能够为快速增长的各种汽车电子应用需求提供灵活的低成本高性能解决方案。20年6月中旬，FPGA龙头赛灵思已有约7000万颗汽车芯片用于ADAS中。

中国FPGA厂商 亟待破局

中国FPGA芯片研发企业可以紫光同创、国微电子、成都华微电子、安路科技、智多晶、高云半导体、上海复旦微电子和京微齐力为例。从产品角度分析，中国FPGA硬件性能指标相较赛灵思、Intel等差距较大。紫光同创是当前中国市场唯一具备自主产权千万门级高性能FPGA研发制造能力的企业。上海复旦微电子于2018年5月推出自主知识产权入门级FPGA产品。中国FPGA企业紧跟大厂步伐，布局人工智能、自动驾驶等市场，打造高、中、低端完整产品线。现阶段中国FPGA厂商芯片设计软件、应用软件不统一，易在客户端造成资源浪费，头部厂商可带头集中产业链资源，提高行业整体竞争力。

2023上海国际嵌入式展embedded world China，凭借多年海外展会品牌的积累，以及专注产业细分市场，得到了产业内知名企业的认可，赛灵思、莱迪思即将亮相6月展会。同时，结合中国FPGA市场以及上下游产业的深入开发，应用场景的增多，并且应用在越来越多的关键环节。相信此次展会，围绕两大顶流FPGA厂商，国内日渐成熟的生态环境，会给相关企业提供更多机遇。我们期待与您相会在6月14-16日于上海世博展览馆的展会上！