AI芯片主要分為CPU 、GPU、FPGA以及ASIC。其中以CPU、GPU、FPGA、ASIC的順序，通用性逐漸減低，但運(yùn)算效率逐步提高。

FPGA，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，作為與用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，既解決了定制電路的不足，又光服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

憑借其可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計(jì)算效率高等特性，F(xiàn)PGA在5G跟AI中得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)楹芏?a target="_blank">通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景是需要隨時(shí)升級的，與FPGA相比，ASIC的靈活性不足，無法跟上算法的迭代更新，因此FPGA是更好的選擇。

在人工智能市場，目前來自“訓(xùn)練”的需求最為廣泛，但是自2019年以來“推斷”（包括數(shù)據(jù)中心和邊緣端）的需求將會(huì)持續(xù)快速爆發(fā)式增長。基于CPU的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)無法充分滿足人工智能高性能并行計(jì)算的需求，F(xiàn)PGA是低功耗異構(gòu)芯片，開發(fā)周期短、編程靈活，人工智能領(lǐng)域的解決方案目前正從軟件演進(jìn)到軟件＋芯片。雹求，F(xiàn)PGA是低功耗異構(gòu)芯片，開収周期快，編程靈活，人工智能領(lǐng)域癿解決斱案目前正從軟件演迕到軟件＋芯片。

FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域

一、數(shù)據(jù)采集和接口邏輯領(lǐng)域

1．FPGA在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用

由于自然界的信號大部分是模擬信號，因此一般的信號處理系統(tǒng)中都要包括數(shù)據(jù)的采集功能。通常的實(shí)現(xiàn)方法是利用A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送給處理器，比如利用單片機(jī)（MCU）或者數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行運(yùn)算和處理。

對于低速的A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口來與MCU或者DSP通信。但是，高速的A／D和D／A轉(zhuǎn)換芯片，比如視頻Decoder或者Encoder，不能與通用的MCU或者DSP直接接口。在這種場合下，F(xiàn)PGA可以完成數(shù)據(jù)采集的粘合邏輯功能。

2．FPGA在邏輯接口領(lǐng)域的應(yīng)用

在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，很多情況下需要與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。比如，將采集到的數(shù)據(jù)送給PC機(jī)處理，或者將處理后的結(jié)果傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示等。PC機(jī)與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如ISA、PCI、PCI Express、PS／2、USB等。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往需要專用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比較多，就需要較多的外圍芯片，體積、功耗都比較大。采用FPGA的方案后，接口邏輯都可以在FPGA內(nèi)部來實(shí)現(xiàn)了，大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器得到了廣泛的應(yīng)用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。這些存儲(chǔ)器都有各自的特點(diǎn)和用途，合理地選擇儲(chǔ)存器類型可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最佳性價(jià)比。由于FPGA的功能可以完全自己設(shè)計(jì)，因此可以實(shí)現(xiàn)各種存儲(chǔ)接口的控制器。

3．FPGA在電平接口領(lǐng)域的應(yīng)用

除了TTL、COMS接口電平之外，LVDS、HSTL、GTL／GTL＋、SSTL等新的電平標(biāo)準(zhǔn)逐漸被很多電子產(chǎn)品采用。比如，液晶屏驅(qū)動(dòng)接口一般都是LVDS接口，數(shù)字I／O一般是LVTTL電平，DDR SDRAM電平一般是HSTL的。

在這樣的混合電平環(huán)境里面，如果用傳統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)接口會(huì)導(dǎo)致電路復(fù)雜性提高。利用FPGA支持多電平共存的特性，可以大大簡化設(shè)計(jì)方案，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

二、高性能數(shù)字信號處理領(lǐng)域

無線通信、軟件無線電、高清影像編輯和處理等領(lǐng)域，對信號處理所需要的計(jì)算量提出了極高的要求。傳統(tǒng)的解決方案一般是采用多片DSP并聯(lián)構(gòu)成多處理器系統(tǒng)來滿足需求。

但是多處理器系統(tǒng)帶來的主要問題是設(shè)計(jì)復(fù)雜度和系統(tǒng)功耗都大幅度提升，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。FPGA支持并行計(jì)算，而且密度和性能都在不斷提高，已經(jīng)可以在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的多DSP解決方案。

例如，實(shí)現(xiàn)高清視頻編碼算法H．264。采用TI公司1GHz主頻的DSP芯片需要4顆芯片，而采用Altera的StratixII EP2S130芯片只需要一顆就可以完成相同的任務(wù)。FPGA的實(shí)現(xiàn)流程和ASIC芯片的前端設(shè)計(jì)相似，有利于導(dǎo)入芯片的后端設(shè)計(jì)。

三、其他應(yīng)用領(lǐng)域

除了上面一些應(yīng)用領(lǐng)域外，F(xiàn)PGA在其他領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用。

（1）汽車電子領(lǐng)域，如網(wǎng)關(guān)控制器／車用PC機(jī)、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)。

（2）軍事領(lǐng)域，如安全通信、雷達(dá)和聲納、電子戰(zhàn)。

（3）測試和測量領(lǐng)域，如通信測試和監(jiān)測、半導(dǎo)體自動(dòng)測試設(shè)備、通用儀表。

（4）消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域，如顯示器｜、投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)。

（5）醫(yī)療領(lǐng)域，如軟件無線電、電療｜、生命科學(xué)。

國內(nèi)外FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展對比

目前國外龍頭工藝技術(shù)已達(dá)7nm、10nm級，可實(shí)現(xiàn)4－5億門器件規(guī)模。5G無線，數(shù)據(jù)中心，汽車，無線通信，AI智能，工業(yè)，消費(fèi)電子，醫(yī)療科學(xué)等，正在成為全球FPGA市場規(guī)模模增長的主要驅(qū)動(dòng)力。

從上世紀(jì)90年底啊開始，國產(chǎn)FPGA已經(jīng)經(jīng)歷了從反向設(shè)計(jì)到正向設(shè)計(jì)的時(shí)代，目前活躍在市場的國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品中，多以中低密度產(chǎn)品為主。對于國內(nèi)大部分的中高密度FPGA來說，其架構(gòu)都離不開LUT＋布線的概念。具體到產(chǎn)品來看，各自側(cè)重的技術(shù)、IP乃至相應(yīng)的應(yīng)用市場也各自有針對性，從這個(gè)角度來看，國內(nèi)廠商在中高密度FPGA的技術(shù)水平無法與國外相比，在軟／硬件層面都還存在一定差距。

國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成

與芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一樣，F(xiàn)PGA的產(chǎn)業(yè)鏈也遵循同樣的流程與環(huán)節(jié)。

在設(shè)備／材料環(huán)節(jié)，相關(guān)公司有北方華創(chuàng)、中微公司、華峰測控等；

在EDA環(huán)節(jié)，相關(guān)公司有華大九天、芯愿景、廣立微、奧卡思等；

在IP環(huán)節(jié)，相關(guān)公司有芯原微、芯動(dòng)科技、寒武紀(jì)等；

在IC設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)公司有紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、京微齊力、聯(lián)捷科技、安陸信息、復(fù)旦微、智多晶等；

在IC制造環(huán)節(jié)，主要公司以中芯國際為主；

在IC封測環(huán)節(jié)，相關(guān)公司有長電科技、華天科技、通富微電等。