FPGA結構、應用領域、市場規模、產業進展及國產替代前景如何？

可重構編程靈活高效，具備超大規模并行計算能力。

FPGA 基本結構包括可配置邏輯模塊（CLB），輸入輸出模塊（IOB），內部連線等， 內部連線將大量的最小邏輯單元 CLB 連接起來，形成更大的邏輯功能單元，并最終與 IOB 連接完成信號的輸入輸出。

作為 FPGA 的最小邏輯單元，CLB 由多個相同的 slice 和附加邏輯構成，每個 slice 內部都包含有查找表（LUT）和寄存器（REG），查找表本質是一個真值表（sram），將 真值表的輸出連接到寄存器或者作為輸入連接到其他的 slice 中，形成更大的邏輯。下圖 以二輸入查找表為例完成 D=(A 與 B)或 C 的邏輯功能。

與 CPU 和 GPU 每個時鐘周期執行單個指令不同，FPGA 的每個邏輯門在每個時鐘 周期都同時進行著某種邏輯運算，對不同數據執行指令流，因此 FPGA 本質上是一個超 大規模的并行計算設備，FPGA 體系也被稱為空間體系架構。在實際開發中，流水線計 算與交替計算混合使用的“混合型并行計算”是最常用的并行計算方式。

FPGA 應用廣泛，涉獵范圍遍及人工智能、5G、數據中心、消費電子、通信、汽車、 軍工航天、高端醫療設備、工業制造等多種領域，通訊領域占比 41.3%，這得益于我國 近年來 5G 基站的大規模建設，而控制、測量等行業的芯片需求使得工業領域的市場份 額也超過 30%。根據 Frost&Sullivan 預測的 FPGA 下游市場份額，預計未來 5 年全球通 信、數據中心、人工智能領域的市場份額將保持兩位數高速增長。

近年來 FPGA 市場需求持續擴大，預計 2023 年全球有近百億美元的廣闊市場，國 內市場也接近兩百五十億人民幣。據 Frost&Sullivan 預測，預計 2025 年全球 FPGA 市 場規模將超過 125 億美元，國內市場規模將從 2022 年的 208.8 億人民幣提升至 2025 年 的 332.2 億人民幣，三年 CAGR 約 17%。

目前，國內 FPGA 主要供應商仍集中在歐美地區，賽靈思 Xilinx（2022 年被 AMD 收購）和 Altera（2015 年被 Intel 收購）2021 年中國 FPGA 市場占有率分別高達 45%和 26%，另有 11%被 Lattice 和 MicroChip 占據，前四家美國公司占據中國 82%的 FPGA 市 場，具有絕對寡頭地位。國內同行競爭企業主要包括紫光同創、安路科技、復旦微電等 公司。

國內 FPGA 產業發展較晚，2000 年以后才正式起步，遲于國外十幾年，因而工藝水 準、核心技術等方面與國際先進水平還有較大差距。2011 年，Xilinx 和 Altera 先后發布 28nm 工藝制程 FPGA，Lattice 和 Actel 也于 2019 年推出 28nmFPGA 產品，7 年后復旦 微電于國內率先推出 28nm 億門級 FPGA 產品。目前全球 28nm 工藝制成 FPGA 市場份 額仍主要由四家美國公司占據。但是，隨著中國科技必須崛起和核心技術必須自主的戰 略需求，國產 FPGA 必將在未來若干年迎來黃金發展時期。

嵌入式框架成為主流，國產芯片差距逐步縮小。當前，FPGA 正從傳統架構逐步過 渡到嵌入式可編程系統架構。成都華微瞄準智能異構可編程芯片系統，投資 2200 萬元 開展智能 SoC 研發設計，將多個 FPGA 以 IP 形式嵌入 SoC 中，突破嵌入式現場可編程 門陣列（eFPGA）物理實現、自適應深度學習加速器（NPU）架構設計等核心技術，為 用戶提供智能計算平臺，實現算法、算力、功能、功耗的彈性調整。

公司還瞄準應用處理，研究 32 位高性能 MCU 實現架構，研制高能效嵌入式片上 系統設計，為用戶提供最優物聯網終端應用處理方案，基于 HWD32 MCU 的微型嵌入 式實時操作系統 V1.0 已取得軟件著作權。

2021 年 FPGA 市場國產率約為 17%。國內 FPGA 市場中賽靈思和英特爾分別占據 45%和 26%的市場份額。國外主要廠商在發展時間、核心專利、市場份額、人才技術等 方面均處于領先地位。 但是國內 FPGA 市場規模大，產業政策好。“十三五”期間，我國集成電路年均增 速接近 20%，為全球同期增速的 4 倍，國家政策也在財政稅收、資金支持、配套建設等 諸多方面給予支持。因此，國內廠商可以從應用端需求出發，開發差異化產品，加大創 新架構和細分市場投入，逐步打破國外同行核心技術壟斷地位，提升競爭力。