FPGA，新基建的“芯”推力

新基建是数字技术的基础设施，具有发展速度快、技术含量高等特点，随着新技术新应用层出不穷，其对计算、架构、协议、接口的动态更新提出了新的需求，因此，对底层芯片提出了新的考验。FPGA具有软硬件可编程、接口灵活、高性能等优势，能够满足高新技术对于计算和连接的需求。那么，新基建将为FPGA带来哪些市场增量？又将提出怎样的技术挑战？我国FPGA企业该如何抓住新基建带来的发展机遇？

新基建将大幅拉动FPGA新需求

新基建是以技术创新和信息网络为基础，来推动基础设施体系的数字转型、智能升级以及融合创新等。在原型设计、协议升级、数据处理、降低功耗等方面，FPGA都将发挥不可替代的优势。

“在新基建巨大的投资拉动效应下，FPGA用量势必会迎来大幅度提升。在技术创新方面，灵活可编程的FPGA被公认为原型设计和新产品开发的关键器件，非常契合5G、人工智能、数据中心、工业互联网等新兴应用场景。而特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车等场景，普遍面临着连接和数字化转型挑战，对于运算效率、数据安全性、时延等性能要求更高。FPGA凭借强大的并行计算能力，能够满足多样化及边缘化数据处理的需求。”紫光同创市场总监吕喆向《中国电子报》记者指出。

工信部最新统计显示，我国5G基站以每周新增1万多个的速度在增长，预计今年年底，我国5G基站的建设将超过60万个。而通信行业正是国产FPGA最主要的应用场景，占比高达35%。5G基站的激增，将带动FPGA用量的快速提升。

吕喆表示，5G基站主要从三个方面为FPGA带来市场增量。一是5G商用初期，各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点，在标准还未冻结之前就推出原型样机或小批量生产，这只有通过可灵活编程的FPGA才能实现。二是在5G网络的很多应用场景中，FPGA是不可替代的。比如，5G通信的MIMO天线阵列和波束成形技术的出现，需要大量信号并行处理，FPGA是解决这类需求的最理想的解决方案。三是5G时代在宏基站的基础上，也可能会出现更多形态的微基站，推动形成了FPGA的增量市场。

工业互联网相关场景对FPGA的需求也在日益提升。据赛迪顾问预测，2022年我国工业互联网市场规模将达到9146.5亿美元。FPGA的高吞吐和灵活性，将在工业通信协议、传感器融合、工业云计算加速等领域发挥作用。

“未来的工业互联网将把当前工业网络中存在的数百种不同协议统一起来，实现互联互通，在工业互联网的灵活性和硬实时性要求的逐渐演进过程中，非常适合用FPGA来做核心控制器件，以实现控制通信协议转换、接口控制、传感器数据融合。”安路科技副总裁陈利光向《中国电子报》表示。

数据中心、人工智能等高性能计算领域，也是FPGA的重要市场。目前，全球数据中心对加速器的市场需求超过百亿美元。市场调研公司Semico Research预测，人工智能应用中FPGA的市场规模将在2019—2023年增长3倍，达到52亿美元。

“人工智能、云计算、区块链、数据中心、智能计算中心等主要解决的是计算问题，FPGA在数据中心加速、人工智能加速、区块链处理等领域应用越来越多，FPGA集成多核处理器、AI计算单元、NOC（片上网络）等计算加速部件，未来会形成非常有竞争力的异构计算平台，成为通用计算领域的重要组成。”陈利光说。

在新能源汽车、自动驾驶等车用领域，采用FPGA的异构计算平台将提升自动驾驶平台的灵活性和扩展性，实现从边缘传感器到域控制器的可扩展性，并提供动态重编程能力，降低系统成本与损耗。目前FPGA龙头赛灵思大约有7000万颗汽车芯片用于ADAS中。

“汽车行业正在面临着一些革命性的演进，最受关注的演进就是智能驾驶从ADAS在逐渐向全面自动驾驶持续演进。传感器数量的增多势必会带来爆炸式的数据增长，这就需要汽车具备强大的异构计算平台，能够处理不同来源的数据，将多传感器同步和融合所带来的系统整体响应时间大大缩短。” 赛灵思大中华区核心市场业务发展总监酆毅向《中国电子报》记者指出。

新基建对FPGA性能提出新挑战

在新基建的背景下，信息化升级将会催生越来越多的应用场景，这对于FPGA的性能指标和架构创新都提出了挑战。对更大规模、更高性能纯FPGA以及多核异构智能化平台提出要求。

“5G通信和数据中心加速等应用，对高端FPGA的性能指标提出了更高的要求，而人工智能、工业互联网等应用，则为多核异构FPGA系统在边缘计算场景下提供了大量的应用机会。”吕喆说。

陈利光表示，当前FPGA技术主要向7nm以下最先进工艺、更大的处理能力、更高的接口带宽方向发展。面向新基建连接方面的需求，针对工业互联网的SoC FPGA，以及协同逻辑阵列、处理器、DSP、专用加速器等多种计算资源的异构计算软件编译平台，是未来的发展方向。

京微齐力创始人兼CEO王海力向《中国电子报》记者表示，要快速满足新应用环境下提出的各类需求，FPGA需要采用异构架构，同时兼顾到能耗、性能和成本的要求。

“FPGA已经由单一可编程芯片技术方案向多核异构处理平台型技术方案过渡，实现‘软件定义硬件，硬件适配生态’的新局面。”王海力说。

目前FPGA两大龙头企业赛灵思和英特尔都推出了基于FPGA的多核异构智能产品。赛灵思推出的ACAP， 在传统FPGA片上互联技术的基础上，采用了NoC实现CPU、FPGA和AI引擎之间的互联，速度较传统FPGA有着20倍的提升。英特尔的Agilex SoC FPGA，基于10nm工艺，集成了四核Arm Cortex-A53处理器，可将数据中心、网络和边缘计算应用的功耗降低40%。

酆毅表示，单独的计算体系结构，无法满足越来越多样的开发需求，伴随工艺的进步，FPGA也打破了传统的应用边界，除以往的航天、通信、消费电子、工控等应用领域，还进入到AI、数据中心、视频处理、自动驾驶、5G等新兴领域，而FPGA也通过集成标量处理引擎、自适应硬件引擎和智能引擎，从器件向异构平台转变。

“FPGA相关企业的研发方向需要向异构计算转型。在人才储备中，FPGA企业将吸收来自AI、自动驾驶、智慧城市等来自新基建行业的人才。产品策略方面，企业应该更偏向于应用层面的开发，更贴近客户需求，更多采用行业通用的开发模式，通过更友好的开发环境，满足更多的产品开发需求。” 酆毅说。

我国FPGA产业进入快速发展通道

目前，我国FPGA产业链在设计、制造、封测环节均有所布局，在中低端市场形成了一定的生产和供应能力。但是，我国FPGA产品主要集中在中小规模器件，在“新基建”多个领域所需的高端产品供应方面，仍与国际龙头存在差距，需要在性能指标和量产能力上取得进一步的突破。

王海力向《中国电子报》记者表示，我国FPGA产业基础相对薄弱，特别在高端FPGA核心架构层面，芯片设计与量产能力、软件EDA工具、应用开发等，与国外厂商有较大的差距。但从近几年产业发展的态势来看，我国FPGA已经进入到一个快速发展的轨道。即使在同规格的FPGA产品指标对比上，国内FPGA公司的一些产品还做到了领先。

“我国FPGA在工业互联网、物联网等领域的研发、生产与供应有一定的基础和保障，其产品也比较容易进行适配。但是5G、人工智能、数据中心及汽车电子对FPGA的技术要求更为高端严苛，国产FPGA在供应能力上仍有差距。随着国内FPGA厂商近几年对中高端FPGA产品的持续研发，这种局面在未来两三年会得到一定改善。应该利用好新基建给不同应用领域带来的发展契机，以及在技术上提出的新需求，夯实FPGA在新基建不同行业的植入基础。”王海力说。

面对新基建的市场增量和技术要求，我国企业该如何抓住机遇，实现能力提升与市场拓展？

吕喆表示，对于国内FPGA产业链而言，首要的问题仍是高端器件的突破，以此为基础才能进一步拓展应用领域，服务于新基建带来的数字化、智能化升级。要进一步提升国内FPGA产业链水平，一方面要推动产业链上下游更紧密的合作，加强上游供应链中流片厂、测试和封装企业对FPGA设计公司的重点支持，与FPGA企业共同完成系统验证、量产催熟和产品方案迭代，实现产业化；另一方面，要打通和搭建学术界和产业界的交流通道和平台，建立创新中心，加速产学研良性循环，为FPGA未来技术体系创新提供理论和学术支撑；同时，要出台相应政策吸引并留住高层次FPGA人才，建立产业联盟，营造和培养FPGA的硬件、软件和IP生态。

赛迪顾问高级分析师李秧向记者指出，FPGA技术门槛很高，国内FPGA厂商要加大研发、人才投入，完善产品线，满足中低端 FPGA的市场需要，又要致力于高性能、高品质的FPGA的研发，补齐从EDA到高端制造、高端封测的产业链条，形成品牌效应及稳定的客户关系，真正提升品牌竞争力。国内 FPGA厂商要形成产业集聚和产业生态，从而降低成本，为下游客户提供更好的产品服务。

王海力表示，国内FPGA企业应该继续脚踏实地做好基础研发，包括核心架构设计、EDA软件工具的开发，完善面向应用实现的知识产权库IP，逐步从低端FPGA产品向高端FPGA产品过渡。在深入了解客户需求的情况下，在每一个工艺节点上建立好高品质交付的FPGA产品线。在培养关键技术研发人才的同时，也要大量培养围绕FPGA应用开发生态的人才队伍，建立好产学研用紧密结合的人才梯队。

文中产品图片由安路科技提供