FPGA芯片行業(yè)發(fā)展概況

• 邱晨陽 2023年3月6日 來源：中研網(wǎng) 711 42
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FPGA芯片因為其現(xiàn)場可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應(yīng)用領(lǐng)域非常豐富，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需求增長明確，發(fā)展空間廣闊。

1)FPGA芯片概況

FPGA芯片屬于邏輯芯片大類。邏輯芯片按功能可分為四大類芯片：通用處理器芯片(包含中央處理芯片CPU、圖形處理芯片GPU，數(shù)字信號處理芯片DSP等)、存儲器芯片(Memory)、專用集成電路芯片(ASIC)和現(xiàn)場可編程邏輯陣列芯片(FPGA)。與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片的最大特點是現(xiàn)場可編程性。無論是CPU、GPU、DSP、Memory還是各類ASIC芯片，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，用戶無法對其硬件功能進行任何修改。而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)自己的實際需要，將自己設(shè)計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆FPGA芯片均可以進行多次不同功能配置，從而實現(xiàn)不同的功能。因此，就FPGA芯片公司而言，不僅需要提供芯片，還需要提供FPGA專用EDA軟件來對芯片進行配置。所以FPGA芯片公司不僅僅是集成電路設(shè)計企業(yè)，還必須是集成電路EDA軟件企業(yè)。與其他三類集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片產(chǎn)品于20世紀(jì)80年代中期面世，發(fā)展歷史相對較短。早期的FPGA芯片由于設(shè)計、制造難度較大、價格昂貴且性能遠遠落后于專用集成電路，因此應(yīng)用比較有限，一般被集成電路設(shè)計公司或者研究機構(gòu)用于產(chǎn)品原型的驗證。隨著FPGA技術(shù)本身的飛速發(fā)展，以及半導(dǎo)體制造工藝的不斷演進，當(dāng)前FPGA的價格和性能已經(jīng)能夠和專用集成電路競爭，又由于其可反復(fù)改寫的靈活性，全球FPGA產(chǎn)業(yè)在2000年以后有了大幅度的成長。2022年，全球FPGA的年銷售額已超過65億美元。預(yù)計到2025年，全球FPGA市場將超過120億美元。

2)FPGA芯片的主要應(yīng)用場景

FPGA芯片是通過現(xiàn)場編程實現(xiàn)任意電路功能的通用集成電路芯片，芯片出廠時沒有特定的功能，通過FPGA專用EDA軟件現(xiàn)場對硬件進行編程就可以實現(xiàn)具體用戶需要的功能。FPGA芯片因為其現(xiàn)場可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，下游應(yīng)用領(lǐng)域非常豐富，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需求增長明確，發(fā)展空間廣闊。

(2)FPGA芯片市場概況

FPGA芯片具有靈活性高、應(yīng)用開發(fā)成本低、上市時間短等優(yōu)勢使其應(yīng)用場景覆蓋了包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等廣泛的下游市場，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，從2016年的約43.4億美元增長至2020年約60.8億美元，年均復(fù)合增長率約為8.8%。未來，隨著全球新一代通信設(shè)備部署以及人工智能與自動駕駛技術(shù)等新興市場領(lǐng)域需求的不斷增長，F(xiàn)PGA市場規(guī)模預(yù)計將持續(xù)提高。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計全球FPGA市場規(guī)模將從2021年的68.6億美元增長至2025年的125.8億美元，年均復(fù)合增長率約為16.4%。

近幾年中國FPGA市場持續(xù)擴大增長，中國FPGA市場從2016年的約65.5億元增長至2022年的約170.3億元。隨著國產(chǎn)替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望持續(xù)擴大。預(yù)計到2025年，中國FPGA市場規(guī)模將達到約332.2億元。

工業(yè)領(lǐng)域是FPGA芯片的主要應(yīng)用市場之一，2022年應(yīng)用于該領(lǐng)域的FPGA芯片中國市場銷售額將達到53.4億元，占中國FPGA芯片市場份額的31.5%，2023年至2025年年均復(fù)合增長率將達到16.1%。FPGA芯片在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，大量應(yīng)用在視頻處理、圖像處理、數(shù)控機床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號控制和運算加速功能。隨著智能化與自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域也正逐漸從以人力資源為核心要素轉(zhuǎn)向以自動化為核心要素的智能化無人工廠。受益于工業(yè)智能化、無人化的發(fā)展趨勢，F(xiàn)PGA芯片高效能、實時性、高靈活性的特點使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)為例，相較傳統(tǒng)的只能控制單一馬達的專用芯片，F(xiàn)PGA芯片可以做到多通道的馬達控制。

目前驅(qū)動馬達所消耗的電力占據(jù)了全球能源消耗的很大部分，在節(jié)能環(huán)保的趨勢下，未來各類能夠精準(zhǔn)控制馬達并可以在單一芯片上實現(xiàn)控制多個馬達的FPGA芯片將在工業(yè)控制領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。此外，F(xiàn)PGA芯片的優(yōu)勢也使其在LED顯示屏領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED顯示屏控制系統(tǒng)是一個融合計算機控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、通信技術(shù)的綜合系統(tǒng)。當(dāng)前主流的LED顯示屏控制系統(tǒng)多以FPGA芯片或FPGA芯片結(jié)合其他芯片做為主控芯片。FPGA芯片的現(xiàn)場可編程特性可滿足大型LED顯示屏系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的需求，以滿足各種形狀和規(guī)格顯示屏的定制，也可滿足其需要進行亮度、對比度、灰度級等參數(shù)靈活調(diào)節(jié)的需求，使LED顯示屏得到更加細(xì)膩的顯示畫面。最后，集成嵌入式CPU的現(xiàn)場可編程系統(tǒng)級芯片將軟件編程控制、硬件編程控制、硬件并行運算的功能整合到單芯片中，具有很大的靈活性和高度的集成性，已經(jīng)展現(xiàn)出強大的設(shè)計優(yōu)勢，為單芯片解決工業(yè)應(yīng)用中多種需求提供了更好的系統(tǒng)方案，可以完成智能制造、智慧醫(yī)療、安防監(jiān)控、電力控制、軌交控制等應(yīng)用中從簡單到復(fù)雜的各種控制和計算功能。

FPGA芯片目前被大量應(yīng)用在無線通信和有線通信設(shè)備中，實現(xiàn)接口擴展、邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、單芯片系統(tǒng)等各種功能。在有線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用于數(shù)據(jù)接入、傳送、路由器、交換機的多種電路板中，以實現(xiàn)信號控制、傳輸加速等各種功能。在無線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用在無線通信基站和射頻處理單元的多種電路板中，以實現(xiàn)通信協(xié)議的各種功能和未來升級需求，集成CPU的現(xiàn)場可編程系統(tǒng)級芯片產(chǎn)品被應(yīng)用在室外微基站、室內(nèi)微基站等無線網(wǎng)絡(luò)通信中，以單芯片完成商業(yè)、住宅、工廠區(qū)域的多模覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量增加、人工智能計算等多樣性功能需求。在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片得到大規(guī)模運用主要是由于其具有高度的靈活性、極強的實時處理和并行處理能力，大大加強了通信設(shè)備的處理能力。在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片內(nèi)在的分布式邏輯和運算單元結(jié)構(gòu)使其可以較容易地實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，因此可以有效地實現(xiàn)這些乘和累加操作，使其可以實現(xiàn)通信過程中大量的高速數(shù)字信號處理功能。相較于其他類型芯片，F(xiàn)PGA芯片一方面依靠其運算速度可以有效滿足通信領(lǐng)域高速的通信協(xié)議處理需求，另一方面又可依靠其靈活性以適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代的特點。此外，F(xiàn)PGA芯片對于復(fù)雜信號、多維信號的處理能力較強，可較好適應(yīng)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。基于以上特點，F(xiàn)PGA芯片已被大規(guī)模應(yīng)用于通信領(lǐng)域。

欲了解更多關(guān)于FPGA行業(yè)的市場數(shù)據(jù)及未來行業(yè)投資前景，可以點擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報告《2020-2025年中國FPGA產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及未來發(fā)展現(xiàn)狀趨勢預(yù)測報告》。

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