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FPGA主要的应用领域及产业链构成

admin9个月前 (09-21)产业地产资讯28

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　　主要分为CPUGPUFPGA以及ASIC。其中以CPU、GPU、FPGA、ASIC的顺序，通用性逐渐减低，但运算效率逐步提高。

　　FPGA，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，作为与用集成电路领域中的一种半定制电路而出现，既解决了定制电路的不足，又光服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　凭借其可编程灵活性高、开发周期短、并行计算效率高等特性，FPGA在5G跟AI中得到了广泛应用。因为很多通信业务的应用场景是需要随时升级的，与FPGA相比，ASIC的灵活性不足，无法跟上算法的迭代更新，因此FPGA是更好的选择。

　　在人工智能市场，目前来自“训练”的需求蕞为广泛，但是自2019年以来“推断”（包括数据中心和边缘端）的需求将会持续快速爆发式增长。基于CPU的传统计算架构无法充分满足人工智能高性能并行计算的需求，FPGA是低功耗异构芯片，开发周期短、编程灵活，人工智能领域的解决方案目前正从软件演进到软件＋芯片。雹求，FPGA是低功耗异构芯片，开収周期快，编程灵活，人工智能领域癿解决斱案目前正从软件演迕到软件＋芯片。

　　1．FPGA在数据采集领域的应用

　　由于自然界的信号大部分是模拟信号，因此一般的信号处理系统中都要包括数据的采集功能。通常的实现方法是利用A／D转换器将模拟信号转换为数字信号后，送给处理器，比如利用单片机MCU）或者数字信号处理器（DSP）进行运算和处理。

　　对于低速的A／D和D／A转换器，可以采用标准的SPI接口来与MCU或者DSP通信。但是，高速的A／D和D／A转换芯片，比如视频Decoder或者Encoder，不能与通用的MCU或者DSP直接接口。在这种场合下，FPGA可以完成数据采集的粘合逻辑功能。

　　2．FPGA在逻辑接口领域的应用

　　在实际的产品设计中，很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCI Express、PS／2、USB等。

　　传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多，就需要较多的外围芯片，体积、功耗都比较大。采用FPGA的方案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现了，大大简化了外围电路的设计。

　　在现代电子产品设计中，存储器得到了广泛的应用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途，合理地选择储存器类型可以实现产品的蕞佳性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计，因此可以实现各种存储接口的控制器。

　　3．FPGA在电平接口领域的应用

　　除了TTL、COMS接口电平之外，LVDS、HSTL、GTL／GTL＋、SSTL等新的电平标准逐渐被很多电子产品采用。比如，液晶屏驱动接口一般都是LVDS接口，数字I／O一般是LVTTL电平，DDR SDRAM电平一般是HSTL的。

　　在这样的混合电平环境里面，如果用传统的电平转换器件实现接口会导致电路复杂性提高。利用FPGA支持多电平共存的特性，可以大大简化设计方案，降低设计风险。

　　无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域，对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求。

　　但是多处理器系统带来的主要问题是设计复杂度和系统功耗都大幅度提升，系统稳定性受到影响。FPGA支持并行计算，而且密度和性能都在不断提高，已经可以在很多领域替代传统的多DSP解决方案。

　　例如，实现高清视频编码算法H．264。采用TI公司1GHz主频的DSP芯片需要4颗芯片，而采用Altera的StratixII EP2S130芯片只需要一颗就可以完成相同的任务。FPGA的实现流程和ASIC芯片的前端设计相似，有利于导入芯片的后端设计。

　　除了上面一些应用领域外，FPGA在其他领域同样具有广泛的应用。

　　（1）汽车电子领域，如网关控制器／车用PC机、远程信息处理系统。

　　（2）军事领域，如安全通信、雷达和声纳、电子战。

　　（3）测试和测量领域，如通信测试和监测、半导体自动测试设备、通用仪表。

　　（4）消费产品领域，如显示器｜、投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络。

　　（5）医疗领域，如软件无线电、电疗｜、生命科学。

　　目前国外龙头工艺技术已达7nm、10nm级，可实现4－5亿门器件规模。5G无线，数据中心，汽车，无线通信，AI智能，工业消费电子，医疗科学等，正在成为全球FPGA市场规模模增长的主要驱动力。

　　从上世纪90年底啊开始，国产FPGA已经经历了从反向设计到正向设计的时代，目前活跃在市场的国产FPGA产品中，多以中低密度产品为主。对于国内大部分的中高密度FPGA来说，其架构都离不开LUT＋布线的概念。具体到产品来看，各自侧重的技术、IP乃至相应的应用市场也各自有针对性，从这个角度来看，国内厂商在中高密度FPGA的技术水平无法与国外相比，在软／硬件层面都还存在一定差距。

　　与芯片半导体产业一样，FPGA的产业链也遵循同样的流程与环节。

　　在设备／材料环节，相关公司有北方华创、中微公司、华峰测控等；

　　在EDA环节，相关公司有华大九天、芯愿景、广立微、奥卡思等；

　　在IP环节，相关公司有芯原微、芯动科技寒武纪等；

　　在IC设计环节，相关公司有紫光同创、高云半导体、京微齐力、联捷科技、安陆信息、复旦微、智多晶等；

　　在IC制造环节，主要公司以中芯国际为主；

　　在IC封测环节，相关公司有长电科技、华天科技、通富微电等。

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