2022年FPGA行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展趨勢(shì)分析_第1頁
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1、2022年FPGA行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展趨勢(shì)分析1. FPGA“現(xiàn)場(chǎng)可編程”,行業(yè)地位舉足輕重現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA),是基于通 用邏輯電路陣列的集成電路芯片,是一種在 PAL(可編程邏輯陣列)、GAL(通用陣 列邏輯)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的一種半定制電路。 FPGA 由可編程的邏輯單元(Logic Cell,LC)、輸入輸出單元(Input Output Block,IO)和開關(guān)連線陣列(Switch Box,SB)三個(gè)部分構(gòu)成。邏 輯單元通過數(shù)據(jù)查找表(LUT)中存放的二進(jìn)制數(shù)據(jù)

2、來實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。 LUT 的本質(zhì)是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM),其大小是由輸入端的信號(hào)數(shù)量 決定的,查找表輸入端越多,可以實(shí)現(xiàn)的邏輯電路越復(fù)雜,因此邏輯容量越大。FPGA 芯片制造完成后,用戶通過對(duì)邏輯單元和開關(guān)陣列編程,使 FPGA 內(nèi) 部形成不同的邏輯電路,從而實(shí)現(xiàn)用戶所需的功能。具體實(shí)現(xiàn)過程而言,用戶首 先將需要的電路功能用硬件描述語言進(jìn)行描述,配套的 FPGA 專用 EDA 軟件接受 用戶的功能描述和目標(biāo)要求后,通過邏輯綜合、布局布線和物理優(yōu)化,最終編譯 生成二進(jìn)制位流數(shù)據(jù)。用戶將位流數(shù)據(jù)存放在 FPGA 芯片上或芯片外的特定存儲(chǔ) 空間,F(xiàn)PGA 芯片啟動(dòng)后將位流加載到邏輯

3、單元的 SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和開關(guān)連 線的 SRAM 控制存儲(chǔ)空間,F(xiàn)PGA 芯片就實(shí)現(xiàn)了用戶期望的特定功能。FPGA 芯片的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在容量和性能兩個(gè)方面。在容量方面,LUT 數(shù)量、DSP 數(shù)量、RAM 數(shù)量和 User IO 數(shù)量是重要的技術(shù)指標(biāo),其中 LUT 數(shù)量 是 FPGA 芯片容量的基礎(chǔ)性指標(biāo)。在性能方面,制造工藝、DSP 工作頻率、動(dòng)態(tài)功耗、SerDes 速率和 DDR3/DDR4 速率是 FPGA 芯片重要的技術(shù)指標(biāo),其中制 造工藝是 FPGA 芯片性能的基礎(chǔ)性指標(biāo)。和 CPU、GPU、DSP、Memory 以及各類 ASIC 芯片不同,F(xiàn)PGA 最大的特 點(diǎn)是芯片在制

4、造完成后,其功能并未固定,用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要,將自 己設(shè)計(jì)的電路通過 FPGA 芯片公司提供的 EDA 軟件對(duì) FPGA 芯片進(jìn)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(jìn)行多次不同功能配置,從而實(shí)現(xiàn)不同的功能,具有高度靈活性。此外, FPGA 芯片由于其無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu),具有低延遲、高吞吐等優(yōu) 勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)極強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理和并行處理能力。FPGA 芯片的上述特點(diǎn)一方面賦予其廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展?jié)摿Γ硪环矫?決定了 FPGA 供應(yīng)商在提供芯片之外,還可以通過專用 EDA 軟件、工程測(cè)試、應(yīng) 用方案等為用戶創(chuàng)造價(jià)

5、值,從而提升用戶粘性,增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2. FPGA 下游應(yīng)用市場(chǎng)廣泛,市場(chǎng)空間廣闊FPGA 芯片因其現(xiàn)場(chǎng)可編程的靈活性和不斷提升的電路性能,擁有豐富的下 游應(yīng)用領(lǐng)域,包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等。受 居家辦公和在線學(xué)習(xí)興起、5G 商用化、智慧城市和智能工廠建設(shè)加速、車聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)發(fā)展等多重因素影響,工控設(shè)備、通信基站、智能終端、服務(wù)器、汽車電子 等產(chǎn)品的需求進(jìn)一步擴(kuò)大,從而帶動(dòng) FPGA 芯片市場(chǎng)需求持續(xù)提升。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),預(yù)計(jì)全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將從 2021 年的 68.6 億美元增長(zhǎng)至 2025 年的 125.8 億美元,

6、年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為 16.4%。近幾年中國(guó) FPGA 市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大增長(zhǎng),根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù),中國(guó) FPGA 市場(chǎng)從 2016 年的約 65.5 億元增長(zhǎng)至 2020 年的約 150.3 億元,年均復(fù)合 增長(zhǎng)率約為 23.1%。隨著國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的進(jìn)一步加速,中國(guó) FPGA 市場(chǎng)需求量有 望持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)到 2025 年,中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模 將達(dá)到約 332.2 億元,2021 至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 17.1%。分下游應(yīng)用領(lǐng)域來看,目前通信和工控仍然占據(jù)中國(guó) FPGA 市場(chǎng) 70%以上的 份額,也是國(guó)內(nèi) FPGA

7、 廠商國(guó)產(chǎn)替代的主要市場(chǎng);數(shù)據(jù)中心、汽車電子領(lǐng)域的市 場(chǎng)應(yīng)用占比較低,仍待開發(fā),且目前主要被 Xilinx、Altera 等海外龍頭廠商占據(jù)。按邏輯單元拆分,目前 100K 以下邏輯單元的 FPGA 芯片仍是市場(chǎng)需求量最 大的部分,其次為 100K-500K 邏輯單元部分。 Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示,2019 年 100K 邏輯單元以下的 FPGA 芯片占據(jù)了中國(guó)市場(chǎng) 38.2%的市場(chǎng)份額,100K500K 邏輯單元的 FPGA 芯片占據(jù)了 31.7%的市場(chǎng)份額。 按制程拆分,目前 28nm-90nm 制程區(qū)間內(nèi)的 FPGA 芯片由于其較高的性價(jià) 比與較高的良品率,依然占據(jù)了市場(chǎng)

8、的主要地位。此外,由于先進(jìn)制程產(chǎn)品具有 更低功耗與面積和更高的性能,預(yù)計(jì) 28nm 以下制程的 FPGA 芯片將快速發(fā)展。 Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示,2019 年 28nm-90nm 制程的 FPGA 芯片占據(jù)了中國(guó) 市場(chǎng) 63.3%的市場(chǎng)份額,28nm 以下制程的 FPGA 芯片占據(jù)了 20.9%的市場(chǎng)份額。2.1 工控領(lǐng)域:應(yīng)用廣泛,國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)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(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)控制和運(yùn)算加速功能。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示 , 2020年中國(guó)應(yīng)用于工控領(lǐng)域的FPGA 芯片市場(chǎng)銷售額約47.4億元,

9、占中國(guó)FPGA 芯片市場(chǎng)份額的31.5%,預(yù)計(jì)2021年至2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 16.1%。以數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)為例,相較傳統(tǒng)的只能控制單一馬達(dá)的專用芯片, FPGA 芯片可以做到多通道的馬達(dá)控制。目前驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(shì)下,未來各類能夠精準(zhǔn)控制馬達(dá)并可以 在單一芯片上實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)馬達(dá)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(shì)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(gè)融合計(jì)算機(jī)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 FPG

10、A 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(chǎng)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(jìn)行亮度、對(duì)比度、灰度級(jí)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。以安路科技的 EG4 系列 FPGA LED 補(bǔ)償型液晶無縫拼接屏方案為例,F(xiàn)PGA 內(nèi)部主要由 LVDS 接收和解碼模塊、視頻縮放模塊、LVDS 編碼和發(fā)送模塊、LED 緩存和驅(qū)動(dòng)模塊組成。FPGA 負(fù)責(zé)接收來自主板的視頻信號(hào),然后將視頻信號(hào)進(jìn) 行處理,分成液晶顯示部分和 LED 顯示部分,再分別輸出給液晶 TCON

11、 板去驅(qū)動(dòng) 液晶顯示,和給 LED 驅(qū)動(dòng)板去驅(qū)動(dòng) LED 顯示。2.2 通信領(lǐng)域:FPGA 優(yōu)勢(shì)明顯,5G 推動(dòng)需求增長(zhǎng)通信領(lǐng)域是 FPGA 芯片的主要應(yīng)用市場(chǎng)之一,根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示, 2020 年中國(guó)通信 FPGA 芯片銷售額約 62.1 億元,占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 41.3%,同時(shí)預(yù)計(jì) 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 17.5%。在有線通信領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 被應(yīng)用于數(shù)據(jù)接入、傳送、路由器、交換機(jī)的多種電路板中,實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制、傳輸加速等功能。在無線通信領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 被用于無 線通信基站和射頻處理單元的多種電路板中,實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的各種功

12、能和未來升 級(jí)需求,集成 CPU 的 FPGA 芯片被用于室外微基站、室內(nèi)微基站等中,完成多模 覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量增加、人工智能計(jì)算等功能。 FPGA 芯片在通信行業(yè)的主要優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn):一方面靠運(yùn)算速度滿足通信領(lǐng)域 高速的通信協(xié)議處理需求;一方面依靠靈活性適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代的特點(diǎn)。2.3 消費(fèi)電子:差異化需求帶來 FPGA 發(fā)展機(jī)遇在消費(fèi)電子領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 芯片主要用于智能手機(jī)、無人機(jī)、智能電視、 AR/VR 設(shè)備中。在消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,很多情況下視頻、音頻等信息均需要 與運(yùn)算芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。比如,在視頻領(lǐng)域,攝像頭需要將采集到的數(shù)據(jù)傳遞 給計(jì)算芯片處理,或者將處理后的結(jié)果傳遞給屏幕進(jìn)行顯示

13、等。但由于各種設(shè)備 內(nèi)部的信號(hào)協(xié)議都不盡相同,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往需要專用的接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)格 式的轉(zhuǎn)換。如果單一設(shè)備需要的接口較多,就需要較多的外圍芯片,其體積、功 耗都較大。而單一 FPGA 芯片方案可以實(shí)現(xiàn)各種存儲(chǔ)接口的控制,接口邏輯都可 以在 FPGA 芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn),大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。此外,由于終端消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的性價(jià)比較為關(guān)注,消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的 成本和功耗要求較為嚴(yán)苛,在保持甚至提高產(chǎn)品性價(jià)比的同時(shí),提高產(chǎn)品的差異 化程度成為消費(fèi)電子廠商制勝的關(guān)鍵。為凸顯產(chǎn)品的差異化,消費(fèi)電子廠商目前 形成了一種類似協(xié)處理器、功能簡(jiǎn)單、功耗低、性價(jià)比高的解決方案,該方案將FPGA 芯片做為主

14、要芯片之一,為 FPGA 芯片在消費(fèi)類電子市場(chǎng)的發(fā)展提供了良 好的機(jī)遇。以安路科技 AL3 橫屏轉(zhuǎn)豎屏 MIPI 顯示方案為例,該方案主要針對(duì) DSI(顯 示接口)做相關(guān)設(shè)計(jì)方案,內(nèi)部具有豐富的 LUT 和 BRAM 資源,用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議 和數(shù)據(jù)處理?;诎猜?AL3 FPGA 器件,實(shí)現(xiàn) LVDS 的視頻數(shù)據(jù)接收,在芯片內(nèi) 通過邏輯和 SDRAM 實(shí)現(xiàn),橫屏轉(zhuǎn)豎屏,旋轉(zhuǎn) 90 度算法處理。處理完成后,通 過調(diào)用 MIPI 接口,實(shí)現(xiàn)視頻在 DSI 的相關(guān)協(xié)議,完成顯示。該方案具有器件設(shè) 計(jì)難度低、BOM 成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。消費(fèi)電子是 FPGA 芯片的新興應(yīng)用市場(chǎng)之一,根據(jù) Frost&S

15、ullivan 數(shù)據(jù), 2020 年應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國(guó)銷售額約 9.4 億元,占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 6.3%,預(yù)計(jì) 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 13.0%。2.4 數(shù)據(jù)中心:硬件加速效果顯著,應(yīng)用需求不斷提升數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò),用來在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、 展示、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器和存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)中心的通用基礎(chǔ)設(shè)備,為 了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的應(yīng)用情景,需要 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能擴(kuò) 展、系統(tǒng)升級(jí)等功能。 FPGA 芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速,數(shù)據(jù)中心使用 FPGA 芯片代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的 CPU

16、方案后,處理其自定義算法時(shí)可實(shí)現(xiàn)顯著的加速效果。因此從 2016 年開始,微軟 Azure、亞馬遜 AWS、阿里云的服務(wù)器上都開始部署 FPGA 加速器用于運(yùn)算加速。在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下,未來數(shù)據(jù)中心對(duì)芯片性能 的要求將進(jìn)一步提高,更多數(shù)據(jù)中心將采納 FPGA 芯片方案,這將提高 FPGA 芯 片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù),2020 年中國(guó)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場(chǎng)規(guī)模約 16.1 億元,占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 10.7%,預(yù)計(jì) 2021-2025 年年均復(fù)合增速將達(dá)到 16.6%。2.5 汽車電子:汽車電動(dòng)智能化加速

17、,F(xiàn)PGA 應(yīng)用前景廣闊隨著汽車電子的不斷發(fā)展,以及電動(dòng)汽車、智能汽車的興起,F(xiàn)PGA 在汽車 中的應(yīng)用越來越廣泛,扮演著越來越重要的角色。FPGA 在汽車電子中的應(yīng)用主 要有以下幾個(gè)領(lǐng)域。在輔助駕駛和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 芯片可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器視 覺與目標(biāo)檢測(cè)等各種功能,用于數(shù)據(jù)/圖像的預(yù)處理、軟件算法的硬件加速以及多 傳感器融合,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖像傳感器的信號(hào)橋接、3D 環(huán)視視頻融合、倒車輔 助視頻、輔助駕駛視頻等功能。在車載信息娛樂系統(tǒng),F(xiàn)PGA 芯片可以連接駕駛 系統(tǒng)、儀表盤、傳感器、屏幕等各種車載設(shè)備,用于視頻接口和 I/O 擴(kuò)展、視頻 圖像處理和格式轉(zhuǎn)換等。在電動(dòng)汽車控制領(lǐng)域,F(xiàn)PGA

18、 芯片可用于控制和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)等。相較其他通用芯片方案,F(xiàn)PGA 芯片為快速增長(zhǎng)的各種汽車電子應(yīng)用需求提 供了靈活的低成本高性能解決方案。FPGA 方案在輔助駕駛的視頻分析功能中可 采用超低延時(shí)精確算法對(duì)來自車輛攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻輸入信號(hào)進(jìn)行分析,及時(shí)做 出判斷,且 FPGA 方案可以在不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的前提下實(shí)現(xiàn)重新編程,以適應(yīng)不 斷發(fā)展的算法,從而縮短整體方案的開發(fā)周期。因此,在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、汽車信息娛樂系統(tǒng)等新興汽車電子領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 芯片成功地應(yīng)對(duì)了自 動(dòng)駕駛要求的快速演變,成為提升用戶駕駛體驗(yàn)和信息娛樂體驗(yàn)不可或缺的一部 分。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù),2020 年中國(guó)應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場(chǎng)規(guī)模約 9.5 億元,占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 6.3%,預(yù)計(jì) 2021-2025 年 年均復(fù)合增速將達(dá)到 22.7%,保持快速增長(zhǎng)。2.6 人工智能:高度靈活+強(qiáng)大并行運(yùn)算能力,市場(chǎng)潛力大人工智能算法的硬件芯片實(shí)現(xiàn)分為云側(cè)處理和端側(cè)處理,其中,云側(cè)處理又 可分為訓(xùn)練和推斷兩大任務(wù)。在云側(cè)與端側(cè)的不同任務(wù)中, FPGA 芯片均已與 GPU 及 ASIC 等芯片一起成為人工智能處理芯片的重要選擇之一。 在云側(cè)處理時(shí),F(xiàn)PGA 芯片在推斷任務(wù)處理上具有廣闊前景,相比

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