无法使处理器核心同时运作、为解决能耗限制及性能提升有限的问题，业界提出的另一个案就是采用“定制计算”，也就是为特定的工作场景和负载优化硬件设计。FPGA(“现场可编程门阵列”)应运而生。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)是半定制化、可编程的集成电路，属于逻辑芯片大类，全称为现场可编程门阵列，用户可根据自身需求将制造完成的“空白”FPGA芯片转化成具有特定功能的集成电路芯片。其最大的特点是芯片的具体功能是在制造完成以后由用户配置决定，因此得名“现场可编程”。不同于ASIC芯片，FPGA芯片由可编程的逻辑单元(Logic Cell，LC)、输入输出单元(InputOutput Block，IO)和开关连线阵列(Switch Box，SB)三个部分构成。用户配置通过FPGA专用EDA软件实现，软件接受用硬件描述语言描述的用户功能，编译生成二进制位流数据，最后将位流下载到芯片中实现用户描述的功能。

FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、底层内嵌功能单元

(1)可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。

(2)可配置逻辑块(CLB)：CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路(多路复用器等)和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。

(3)数字时钟管理模块(DCM)：业内大多数FPGA均提供数字时钟管理(Xilinx的全部FPGA均具有这种特性)。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

(4)嵌入式块RAM(BRAM)：大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器(CAM)以及FIFO等常用存储结构。

(5)丰富的布线资源：布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

(6)底层内嵌功能单元：内嵌功能模块主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP和CPU等软处理核(Soft Core)。

(1)可编程，灵活性高：通过对FPGA编程，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，在5G初期这种特性尤为重要。此外，FPGA还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益。

(2)可并行工作，效率高：CPU、GPU需按流程顺序完成数据处理，而FPGA是典型的硬件逻辑，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率，尤其在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA优势明显

(3)产品上市周期短：FPGA买来编程后即可直接使用，FPGA方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间.

(4)用量较小时有成本优势：ASIC等方案有固定成本，而由于FPGA方案无需支付高额的流片成本，也不用承担流片失败风险，对于小批量多批次的专用控制设备，FPGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本优势。

(1)成本：如果ASIC流片量大，实现同样逻辑的FPGA成本将是ASIC的10倍以上。以5万片流片为零界点，低于5万片的小批量多批次的专用控制设别(如雷达、航天飞机等高价值、批量相对较小、多通道计算的专用设备)采用FPGA更加经济划算。

(2)功耗：FPGA中的芯片的面积比ASIC更大，这是因为FPGA厂商并不知道下游的具体需求应用，故在芯片中装入规模巨大的门电路

(3)编程设计：FPGA的发展中，软件将占据60%的重要程度。除了考虑芯片架构，编程设计时还要考虑应用场景多样性、复杂性和效率，FPGA编程需要采用的专用工其进行HDL编译，再烧录至FPGA中、其技术门槛非常高.

FPGA芯片的技术水平主要体现在容量和性能两个方面。在容量方面，LUT数量、DSP数量、RAM数量和UserIO数量是重要的技术指标，其中LUT数量是FPGA芯片容量的基础性指标。在性能方面，制造工艺、DSP工作频率、动态功耗、SerDes速率和DDR3/DDR4速率是FPGA芯片重要的技术指标，其中制造工艺是FPGA芯片性能的基础性指标。

(1)容量

LUT数量：FPGA芯片逻辑容量的重要指标。基于SRAM查找表的逻辑单元是FPGA芯片的最基本单元，可以实现多个基本逻辑门组合的功能。为了使逻辑容量具有可比性，行业内通常将不同设计的逻辑单元等效至四输入查找表。

DSP数量：FPGA芯片数字信号处理能力的重要指标。DSP单元可以实现多个数的乘法、加减法、宽位逻辑操作等功能。DSP主要参数包括乘法器的位数和加法器的位数。

RAM容量：FPGA芯片中数据存储能力的重要指标。RAM包括多个内嵌整块RAM和用LUT实现的分布式RAM。RAM的存储容量通常以Kbit为单位。

UserIO数量：FPGA芯片数据接口能力的重要指标。指用户可用的最大输入/输出接口数量。

(2)性能

制造工艺：指55nm/28nm/16nm等芯片制程。制造工艺越先进，FPGA芯片的成本越高，性能越高。FPGA产品规划时需综合考虑应用情景成本、性能的最佳平衡。

DSP工作频率：DSP工作频率越高，数据运算速度越快。通常以兆赫兹(MHz)为单位。

动态功耗：指芯片处于工作状态时电路翻转产生的功耗，动态功耗越低，芯片耗电越少，芯片寿命越长，芯片对于系统设备的散热要求越低通常以瓦(w)为单位。

SerDes速率：指高速串并转换数据的传输速率，该速率越高，数据传输量越大，通常以Gbps为单位。

DDR3/DDR4速率：指DDE3/DDR4同步动态随机存储器数据读取接口的标准速率。数据速率以MT/s为单位。

根据《2020年中国FPGA芯片行业研究报告》中国FPGA芯片行业竞争主体包括研发类企业及应用解决方案供应商，随人工智能、物联网、5G技术发展推动，前十强分别是：

1紫光同创：推出自主知识产权的大规模FPGA开发软件Pango DesignSuite，可支持千万门级FPGA器件设计开发；产品覆盖通信网络、信息安全、人工智能、数据中心、工业物联网等领域

2高云半导体：推出中国首颗55nm嵌入式Flash SRAM非易失性FPGA芯片，实现可编程逻辑器件、嵌入式处理器无缝连接；产品覆盖设计软件、IP核、参考设计、开发板、定制服务等

3安路信息科技：开展28nm、12nm千万门级、五千万门级FPGA、SoCFPGA研发工作，自主开发HDL描述至片上调试的完整系统；产品覆盖新产品应用于通信、工控、显示、人工智能等领域

4遨格芯微：推出中国首个通用FPGA产品系列，在软件及硬件引脚封装等方面保持较高相互兼容性，支持低中高端嵌入式应用和升级；产品覆盖异构技术应用于人工智能通用算力市场、物联网市场

5复旦微电子：集成专用超高速串并转换模块、高灵活可配置模块、等适用亿门级FPGA应用的模块电路；产品覆盖自研产品应用于卫星导航、载人航天等重大工程项目

6智多晶：实现55nm、40nm工艺中密度FPGA量产，自主研发FPGA开发软件“HqFpga”，支持布局布线、时序分析、内逻辑分析等任务；产品覆盖核心产品应用于LED驱动、高端医疗、智能仪表等领域

7京微齐力：采用40纳米工艺芯片应用于智能穿戴设备领域，具备100项以上FPGA专利及专有技术(国际专利)授权及二次开发权；产品覆盖基于原有FPGA芯片，部署人工智能、异构平台、eFPGA领域

8联捷科技：研发基于CNN的图片分析技术，推出FPGA加速方案，可将基于神经网络的人脸识别速度提升两倍；产品覆盖联合赛灵思开发CTAccel图像加速技术解决方案

9深维科技：侧重于FPGAAI应用开发，团队具备Cadence、IBM、中科院等大厂经验，产品工程能力占据优势；产品覆盖面向数据中心、专用设备、军工航天类头部客户

10傲睿智存：提供新型FPGA视频转解码服务，无需更换、添加硬件即可支持深度学习应用直接开发；产品覆盖云视频、游戏实况、主播直播视频加速，高速硬件编解码

根据《电子行业深度报告FPGA行业深度应用边界不断拓宽优质赛道价值凸显》报告，FPGA可应用在众多领域。

(1)网络通信领域

FPGA芯片目前被大量应用在无线通信和有线通信设备中，实现接口扩展、逻辑控制、数据处理、单芯片系统等各种功能。在有线通信领域，FPGA芯片被应用于数据接入、传送、路由器、交换机的多种电路板中，以实现信号控制、传输加速等各种功能。在无线通信领域，FPGA芯片被应用在无线通信基站和射频处理单元的多种电路板中以实现通信协议的各种功能和未来升级需求，集成CPU的现场可编程系统级芯片产品被应用在室外微基站、室内微基站等无线网络通信中，以单芯片完成商业、住宅、工厂区域的多模覆盖、网络容量增加、人工智能计算等多样性功能需求。

(2)工业领域

FPGA芯片在工业领域应用非常广泛，大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域，实现信号控制和运算加速功能。

(3)数据中心

数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。服务器和存储器作为数据中心的通用基础设备，为了应对复杂多变的应用情景，需要FPGA芯片实现逻辑控制、数据转换、功能扩展、系统升级等功能。

(4)人工智能领域

人工智能算法芯片实现分为云侧处理和端侧处理。在云侧处理时，和GPU及ASIC芯片相比，FPGA芯片内在并行处理单元达到百万级，可以做到真正并行运算，其可编程性又可实现灵活搭建数据处理流水线，因此运算速度快，数据访问延迟低，较为适合人工智能的实时决策需求。在端侧处理领域，FPGA芯片可实现快速推断决策，另外其具有的现场可编程、可实现定制功能、高吞吐量和低延迟等特点有效地满足了用户对各种神经网络设计的要求，成为适配各种经过压缩优化的神经网络部署和升级的理想选择。

(5)汽车领域

在汽车电子系统接口及控制领域，FPGA芯片用于控制和驱动电动汽车电机控制系统，连接驾驶系统、仪表盘、雷达、超声波传感器等各种车载设备，实现激光雷达、毫米波雷达等信号处理和控制。在视频桥接和融合领域，FPGA芯片可用于实现多个图像传感器的信号桥接、3D环视视频融合、倒车辅助视频、辅助驾驶视频等功能。在辅助驾驶和自动驾驶领域，FPGA芯片可用于实现机器视觉与目标检测等各种功能。相较其他通用芯片方案，FPGA方案在辅助驾驶的视频分析功能中可采用超低延时精确算法对来自车辆摄像机的实时视频输入信号进行分析，及时做出判断，并且FPGA方案可以在不进行重新设计的前提下实现重新编程，以适应不断发展的算法，从而缩短整体方案的开发周期

参考资料：

【研报】电子行业专题报告：国产FPGA研究框架-20201014（113页）.pdf

电子行业深度报告：FPGA行业深度应用边界不断拓宽优质赛道价值凸显-211219（22页）.pdf

安路科技-快速崛起的国内FPGA龙头-220216（28页）.pdf

2020年中国FPGA芯片行业研究报告-200131[47页].pdf

2021年上海复旦公司 FPGA 芯片技术与集成电路设计行业研究报告（34页）.pdf