FPGA技术调研报告

1、高品质文档fpga技术调研报告报告使用范围很广。根据上级部署或工作方案，每完成一项任务，一般都要向上级写报告，反映工作中的基本状况、工作中取得的阅历教训、存在的问题以及今后工作设想。惠好考试网今日为大家细心预备了fpga技术调研报告，盼望对大家有所关心!fpga技术调研报告1引言现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearrays，fpga)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过转变配置信息对其功能进行定义，以满意设计需求。与传统数字电路系统相比，fpga具有可编程、高集成度、高速和高牢靠性等优点，通过配置器件内部的规律功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片

2、中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的敏捷性和效率。设计者采纳fpga的优点：(1)削减对所需器件品种的需求，有助于降低电路板的体积重量；(2)增加了电路板完成后再修改设计的敏捷性；(3)设计修改敏捷，有助于缩短产品交付时间；(4)器件削减后，焊点削减，从而可提高牢靠度。尤其值得一提的是，在电路运行频率越来越高的状况下，采纳fpga实现的简单电路功能减小了板级电路上pcb布线不当带来的电磁干扰问题，有助于保证电路性能。fpga也是现阶段航天专用集成电路（asic,applicationspecificintegratedcircuit）的最佳实现途径。使用

3、商用现货fpga设计微小卫星等航天器的星载电子系统，可以降低成本。利用fpga内丰富的规律资源，进行片内冗余容错设计，是满意星载电子系统牢靠性要求的一个好方法。目前，随着对卫星技术的不断进展、用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈，功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。采纳小型化技术能够使星载电子设备体积减小、重量减轻、功耗降低，提高航天器承载有效载荷的力量以及功效比。采纳高功能集成的小型化器件，可以减小印制板的尺寸，削减焊盘数量，还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错力量。星载数字电路小型化的关键是器件选用，包括嵌人式高集成度器件的选用，其中，高密度可编程规律器件fp

4、ga的选用是一个重要的实现方式。目前，在航天遥感器的设计中，fpga被广泛地应用于主控系统cpu的功能扩展ccd图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了fpga的进展，分析了其主要结构，并对航天应用fpga进行了综述。指出了航天应用对fpga及其设计的要求，重点分析了空间辐射效应对fpga牢靠性的影响，并总结了提高fpga抗辐照的牢靠性设计方法。最终，对航天应用fpga的进展进行了展望。2.fpga航天应用可编程规律器件以其设计便利、设计便于修改、功能易于扩展，在航天、空间领域中得到了越来越广泛的应用。一种是以actel公司产品为代表的一次编程反熔丝型fpga，一种是以xilinx

5、公司产品为代表的基于sram的可重新配置的fpga。2.1航天应用fpga的分类fpga按其编程性，目前具有航天胜利应用阅历的fpga主要有两类：一类是只能编程一次的一次性编程fpga。另一类是能多次编程的可重编程fpga,如sram型fpga、flash型fpga，这类fpga一般具有在系统编程(isp,insystemprogramming)力量。2.1.1一次性编程fpga此类产品采纳反熔丝开关元件，具有体积小、版图面积小、低抗辐射抗干扰、互连线特性阻抗低的特点，不需要外接prom或eprom，掉电后电路的配置数据不会丢失，上电后即可工作，适用于航天、军事、工业等各领域。这类产品中，具有

6、代表性并已取得航天应用胜利阅历的产品是actel公司的抗辐射加固反熔丝型fpga。与传统fpga平面型散布的规律模块、连线、开关矩阵的布局不同，反熔丝型fpga采纳紧凑、网格化密集布局的平面规律模块结构。利用位于上下规律模块层之间、金属对金属的可编程反熔丝内部连接元件实现器件的连接，减小了通道和布线资源所占用的空间。在编程之前，该连接元件为开路状态，编程时，反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度，瞬间产生较大的热功耗，溶化绝缘层介质形成永久性通路。2.1.2可重编程fpga此类产品采纳sram或flasheprom掌握的开关元件，其优点是可反复编程。配置程存放在fpga外的存储器中，系统

7、上电时，配置程加载到fpga中完成硬件功能的定制化。其中，sram型fpga还可以在系统运行中转变配置，实现系统功能的动态重构。但是，此类fpga掉电后存储的用户配置规律会丢失，只能上电后重新由外部存储器加载。flasheprom型fpga具有非易失性和可重构的双重优点，但不能动态配置，功耗也比sram型fpga高。此类fpga由于配置数据存储在fpga内的sram存储器中，可编程规律开关采纳多路选择器实现，内部规律功能采纳基于sram结构的查找表实现，这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体结构。因此，在航天应用中要特殊留意。具有代表性的、并取得航天应用胜利阅历的产品是xilinx公司的基于

8、sram型virtex系列的fpga产品。2.2fpga航天应用现状fpga在国内外的航天、空间领域，特殊是商用卫星得到了广泛的应用。据统计，在国内外深空探测、科学及商用卫星共60个项目中都用到了fpga，军用卫星项目中也有多个项目用到fpga。2.2.1actefpga的航天应用actel的耐辐射和抗辐射fpga自从在1997年火星探路者（marspathfinder）以及随后的士气号、机遇号任务中取得胜利后，其fpga连续用于nasa、esa的火星探测任务。actel的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的掌握计算机，执行从地球到火星6个月飞行的导航功能。在火星探究者漫游器（explorerr

9、over）的照相机、无线通信设备中均采纳了actel器件。esa的火星快车轨道卫星中，固态记录器使用了20多个actelfpga器件。actel公司的fpga器件已用于德国航天领域(dlr)双光谱红外探测(bird)卫星中。bird是全球首个采纳红外传感器技术的卫星，以探测和讨论地球上的高温大事，如森林山火、火山活动、油井和煤层燃烧等。超过20个高牢靠性fpga用干卫星有效载荷数据处理、存储器管理、接口和掌握、协处理以及红外摄影机的传感器掌握等多个关键性功能中。2.2.2xilinxfpga的航天应用同actel相比，xilinx公司用于航天、空间领域的产品研制较晚，但是，其功能强大、性能高、

10、可重新配置的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、全面提高抗空间辐射力量，渐渐成为空间电子产品设计中常用的fpga产品，并将获得越来越广泛的应用。xilinx的virtex耐辐射fpga被用于2021年放射的澳大利亚的军民混用通信卫星optuscl，在卫星的uhf有效载荷中，xilinxvirtexfpga(xqvb300）用来实现地球数据的信号处理算法，并使用了xilinx供应的ip核。xilinx的加固fpgaxqr4062xl被用于2021年放射的澳大利亚科学卫星fedsat（联合卫星，用于讨论磁层）的高性能计算有效载荷。hpc-1是第一例在星载计算机系统的标准运行中采纳fpga实现了可配置计

11、算技术rct。目前正在开发的rhc-ii将使用xilinxfpga实现星上数据处理。此外，grace(nasa）的敏感器中使用了xqr4o36xl产品。在火星探测漫游器discovery和spirit中都胜利应用了xilinxfpga产品。两片宇航fpgavirtextmfpgaxqvr100o被用于火星漫游器车轮电机掌握、机械臂掌握和其他仪表中，4片耐辐照4000系列的fpgaxqr4062xl用于掌握火星着陆器的关键点火设备，保证着陆器按规定程序下降及胜利着陆。欧洲第一个彗星轨道器和着陆器rosetta上总共有45片fpga，都选用actelrt14i00a，担当了掌握、数据管理、电源管理

12、等重要功能，并且飞行中任何一片fpga都不得断电。xilinx最新发布的virtex-5qvfpga具有特别高的抗辐射性，tid耐性为700krad以上，seu（sin-gleeventupset，单粒子翻转）闩锁（latchup）耐性超过100mevcm2/mg，主要面对人造卫星和宇宙飞船上的遥感处理、图像处理以及导航仪等用途。因此，基于fpga系统构成无需为了辐射措施而增加冗余，可以削减系统开发所需要的时间和成本。其规模也达到了13万个规律单元，集成了最高速度为3.125gbit/s的高速收发器，并强化了dsp功能，作为航天领域用fpga中属业界最高水准。3.辐射效应及其影响航天、空间电子

13、设备由于其所处的轨道以及使用环境的不同,受到的辐射影响也不相同。从总体上来说，对fpga影响比较大的辐射效应主要有:总剂量效应(tid:totalionizingdose)、单粒子翻转(seu:singleeventupset)、单粒子闩锁(sel:singleeventlatchup)、单粒子功能中断(sefi:singleeventfunc-tionalinterrupt)、单粒子烧毁(seb:singleeventburnout)、单粒子瞬态脉冲(set:singleeventtran-射效应产生的机理不尽相同,引起fpga的失效形式也不同。总剂量效应：光子或高能离子在集成电路的材料中电

14、离产生电子空穴对，最终形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷，使器件的性能降低甚至失效。单粒子翻转：具有肯定能量的重粒子与存储器件或规律电路pn结发生碰撞,在重粒子运动轨迹四周形成的电荷被灵敏电极收集并行成瞬态电流，假如电流超过肯定值就会触发规律电路,形成规律状态的翻转。单粒子翻转敏感区域是指fpga中易于受到单粒子效应影响的区域，包括fpga的配置存储器、dcm、clb、块存储区域。单粒子闩锁：cmos器件的pnpn结构成了可控硅结构。质子或重粒子的入射可以触发pnpn结导通,进入大电流再生状态，产生单粒子闩锁。只有降低电源电压才能退出闩锁状态。单粒子功能中断：质

15、子或重粒子入射时引起器件的掌握规律消失故障，进而中断正常的掌握功能。fpga中单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、selectmap接口和jatag接口。单粒子烧毁：入射粒子产生的瞬态电流导致敏感的寄生双极结晶体管导通。双极结晶体管的再生反馈机制造成收集结电流不断增大，直至产生二次击穿，造成漏极和源极的永久短路，烧毁电路。fpga发生单粒子烧毁的概率较小。单粒子瞬态脉冲：带电粒子入射产生的瞬态电流脉冲影响到下一级规律电路的输入，造成该规律电路输出紊乱。单粒子瞬态脉冲可能引起fpga内部规律电路的短时错误。单粒子瞬态脉冲对于0.25m工艺的fpga影响较大。位移损伤：单粒子位移损

16、伤是单个粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性损伤。上述辐射效应对fpga造成的影响有的是永久性的，如总剂量效应、单粒子烧毁、位移损伤；有的是能够恢复的，如单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子瞬态脉冲。以上单粒子效应中sel、seb和segr均有可能对器件造成永久性损伤。因此，一般星上系统都会采纳抗sel的器件。seu和set虽然是瞬时影响，但其发生率远高于以上3种，反而更应引起重视。接下来依据对上述辐射影响的分析，讨论提高fpga抗辐射效应的牢靠性设计方法。随着sram型的fpga随着工艺水平的提高、规模的增大和器件核电压的降低，抗总剂量效应性能不断提高，但是更简单受seu和set

17、的影响。针对单粒子效应的问题，mapld、nsrec、radecs会议提交的报告认为，virtex-ii系列产品抗总剂量辐射力量达到200krad，抗sel的力量为let160mevcm/mg以下无闩锁，同时，需要考虑seu、set、sefl等单粒子效应4.航天应用fpga的牢靠性设计在航天、空间电子设备中，fpga主要用于替换标准规律，还用于soc技术，供应嵌人式微处理器、存储器、掌握器、通信接口等。其中，牢靠性是fpga设计的主要需求。依据功能及其重要性的不同，空间电子系统设计分为关键与非关键两大类，航天器掌握为关键类，科学仪表为非关键类。航天器掌握系统对fpga的一般需求：高牢靠、抗辐射

18、加固和故障平安。科学仪器对fpga的设计要求一般为高性能、耐辐射和失效平安，其牢靠性则是由性能需求打算的，对fpga的需求也因系统而异，如测量辨别率、带宽、高速存储、容错力量等。航天用fpga的牢靠性设计主要通过器件自身的硬件设计以及软件设计来实现。4.1fpga的硬件牢靠性设计fpga的硬件牢靠性设计主要是针对空间辐射效应的影响，借助制造工艺和设计技术较为彻底地解决了单粒子效应防护问题。一般从以下几个方面进行设计：fpga整体设计加固、内部设计间接检测辐射效应的自检模块、引入外部高牢靠性的监测模块。整体加固设计是指在电子设备的外面采纳肯定厚度的材料进行整体辐射屏蔽，削减设备所受的辐射效应，常

19、常采纳的材料有铝、钽和脂类化合物等。这种方法在航天电子元器件中使用较多，也比较成熟。例如，作为美国军用微电子产品主要供应商的honeywell，加固asic技术掩盖范围宽。aeroflex采纳“设计加固、商用ic工艺线流片”的方式供应性能先进的加固asic产品，具备数模混合加固asic的研制力量。这种采纳商业线流片生产军用和加固微电子产品的技术线路，既有利于摆脱工艺加固对器件进展的约束，又有利于满意用户对先进加固器件的需求，降低成本，缩短供货时间。atmel为用户供应了高性能、小尺寸、低功耗的各类器件的工艺资源，包括用于航天的耐辐照高速、低功耗数模混合cmos工艺以及内嵌eeprom的cmos

20、工艺。国内从事军用微电子器件研制的单位许多，包括国有科研单位和非国有ic研制公司。但是，能够完成抗辐照加固ic研制的单位并不多。国内自行研制的加固asic产品已经在卫星中得到了胜利应用。采纳体硅外延层，也可以防止发生sei。例如，xilinx的virtex-ii耐辐射产品是在军品等级器件的基础上进一步采纳外延衬底设计，抗总剂量电离效应力量根据mil-std-883method1019进行批次采样考核。自检模块的目的是通过某些模块的正常运行来猜测整个fpga运行的正常性。自检模块由分布在fpga重要布线区域四周的简洁规律电路实现，也可以由多模冗余模块表决结果或者余数检测法以及奇偶校验法等其他产生

21、的结果直接供应输出。4.2fpga的软件牢靠性设计航天应用fpga的软件牢靠性设计是指应用软件程序配置来屏蔽辐射效应造成的运行失常。其中，冗余设计方法是被公认为比较牢靠的应付辐射效应的方法。常用的冗余设计有三模冗余法(tmr，triplemoduleredundancy)和部分三模冗余法(ptmr，partialtriplemoduleredundancy)。虽然tmr能够提高系统的牢靠性，但也会使模块速度降低、占用资源和功率增加。综合考虑其他设计指标，可以依据实际状况对关键部分使用部分三模冗余法。冗余结构尽管可以保证系统牢靠性，但却不能准时发觉并订正错误，或为发觉错误而引入了过多的组合规律，

22、当应用于fpga时，增加了容错电路自身出错的可能性。除此之外，星载系统无人值守的运行特点使得系统重构与故障恢复也特别困难。对配置存储器的回读校验和重配置(或局部重配置)是一种有效的反抗辐射效应的方法，通过对部安排置的重加载能够修复seu效应造成的影响，其频率应是最坏状况seu效应发生率的10倍。在重加载规律设计中，需要对重加载的实现方式、加载内容进行认真设计，并不是全部的内容都可以重加载，也不是全部的内容都需要重新配置。在系统设计中，采纳高牢靠性的反熔丝fpga负责从非易失大容量存储器中读取xilinxfpga的配置数据对其进行配置。在运行期间，对最简单受辐射效应影响的配置存储器按列进行读操作

23、，然后与标准数据进行比对，对消失错误的列进行局部重配置。fpga的可编程io也简单受到辐射粒子影响产生seu和sel。对输入输出脚设计三模冗余设计方法是一种特别有效方法，但是这种方法将需要占用3倍的i/o资源。假如set作用在时钟电路或者其他数据、掌握线上简单产生短脉冲抖动，有可能会造成电路的误触发或者数据锁存的错误，在设计时可采纳同步复位设计内部复位电路、掌握线使能信号线，规律数据在锁存时尽可能协作使能信号。5.fpga航天应用进展趋势目前，在深微亚米半导体工艺下，传统的fpga设计技术在器件良率、功耗、互联线延时、信号完整性、可测性设计等方面面临挑战9。基于传统技术的fpga仍旧在向高密度

24、、高性能、低功耗的方向进展，使得fpga从最开头的通用型半导体器件向平台化的系统级器件进展。基于异步电路的fpga设计、3d集成技术、新型半导体结构的应用将是fpga技术进展的热点。航天、空间应用方面，国外航天对fpga空间应用的总结和猜测分析表明，空间应用对fpga选用呈现出以下趋势：(1)器件工作电压从5v变为3.3v、2.5v甚至l.8v；(2)从使用总剂量加固fpga进展到使用耐总剂量fpga产品；(3)从seu敏感寄存器fpga的应用进展为使用内建寄存器tmr结构的fpga；(4)从只使用一次编程的反熔丝型fpga进展为使用基于sram/eeprom的可重置型fpga。这种选用趋势带

25、来的突出问题是：从寄存器对seu敏感变为fpga对seu敏感；配置存储fpga的设计简单性已经同asic的简单程度相当。6.结论本文对航天应用中fpga的使用进行了综述。分析了fpga的结构特点，针对航天、空间环境的辐照条件，分析了航天应用fpga的失效模式及牢靠性设计方法。最终，对航天应用fpga及其牢靠性设计技术的进展进行了展望。fpga技术调研报告fpga(field-programmablegatearray)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步进展的产物。它是作为专用集成电路(asic)领域中的一种半定制电路而消失的，既解决了定制电路的不足，

26、又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。fpga市场前景迷人，行业技术壁垒较高。过去十多年时间里，英特尔、ibm、摩托罗拉、飞利浦、东芝、三星等60多家公司曾试图涉足该领域，除英特尔以167亿美元收购altera胜利进军该领域之外，其余公司纷纷折戟沉沙。fpga企业市场份额分布正是因此，全球fpga市场基本被美国“2大2小”四家公司垄断。国内fpga厂商大多处于比较困难的进展阶段，市场份额很低，全球fpga芯片市场规模大约50亿美元左右，其中中国约15亿美元。由于行业的技术以及资本门槛比较高，美国厂商占据了垄断地位，在中国15亿美元的市场当中，国产fpga产品所占市场份额约2%。除了市场份额

27、低之外，国内厂商在技术水平上和国外大厂的差距也很大。虽然国内fpga厂商有百家争鸣之势，但基本分布在中低端市场，大多是一些1000万门级左右的fpga，少数达到2000万门级的fpga虽然也有自主研发的，有一些是逆向工程的产物，或商业收购的结果。虽然在许多方面，自主fpga已经解决了有无的问题。不过，在商用领域，体制内单位的fpga还很难替换掉英特尔的产品。究竟在性能上，国内单位和英特尔的fpga差距还是特别大的。快速成长的fpga市场2021年全球fpga市场约为60亿美金左右，估计随着ai+5g的应用绽开，市场容量有望在2025年达到125亿美金左右的规模，年复合增长率10.22%。同时在

28、亚太地区尤其在中国，新兴基础建设应用的铺开，fpga的增速将有望显著优于其他地区，而成为fpga重要的市场抓手。在下游应用领域，电子通讯仍旧占据了主要的市场份额，达到40%左右，这其中5g+ai都是主要的需求；而增速最快的是汽车，cagr将至13.1%。从供应链角度看，fpga生产厂商处于整个电子行业的上游，并多数以fabless的模式运营(altera除外，已被英特尔收购，属于idm)，fpga同样追求最先进的工艺制程和节点，目前最先进的fpga采纳7纳米工艺制程。fpga行业是一个高进入壁垒领域，市场前景迷人。由于fpga软件开发难度大，需要最先进的制造封测工艺、ip多且杂，因此中国目前的

29、进展存在严峻滞后。从信息、产业和国防平安等方面考虑，中国肯定会加速fpga的国产化，政府对国有半导体产业会有肯定力度的扶持。此外在ai、lot、5g快速进展的推动下，中国将有浩大的fpga增量市场。因此，这是国内fpga厂商快速切入的时机。“5g+ai带来fpga新增长引擎fpga在电子通信领域增加带宽的应用有望得到快速扩张，以5g+ai为主要应用场景的需求将快速提升fpga的市场容量。电子通讯领域的迅猛进展有望推动fpga市场的扩张。智能手机和移动设备的不断增长增加了电子通讯网络的负担。全世界范围内城市和农村地区的网络用户数量都在不断增长，导致了诸如3g、4glte和5g等网络技术的广泛应用

30、，并产生了电子通讯领域对网络的旺盛需求。小到fpga设备供应接口和掌握功能，大到设备可以使用一个或多个fpgas完成系统设计。将硬ip集成到公共接口和处理功能中大大提高了fpga在网络应用中的生产率。此外，硅工艺的引入极大增加了规律单元的最大数量。这些特性使得fpga在电信行业的应用中具有吸引力。随着人工智能领域等方面的绽开，fpga也受到了越来越多的异构计算方面的青睐。人工智能算法所需要的简单并行电路的设计思路适合用fpga实现。fpga计算芯片布满“规律单元阵列”，内部包括可配置规律模块，输入输出模块和内部连线三个部分，相互之间既可实现组合规律功能又可实现时序规律功能的独立基本规律单元。留

31、意fpga与传统冯诺伊曼架构的最大不同之处在于内存的访问。fpga在本质上是用硬件来实现软件的算法，因此在实现简单算法方面有一些难度。fpga相对于传统处理器有明显的能耗优势，主要有两个缘由。首先，在fpga中没有取指令与指令译码操作，在英特尔的传统处理器里面，由于使用的是cisc架构，仅仅译码就占整个芯片能耗的50%。其次，fpga的主频比传统处理器低许多，通常传统处理器的主频在1ghz到3ghz之间，而fpga的主频一般在500mhz以下。如此大的频率差使得fpga消耗的能耗远低于传统处理器。英特尔收购altera，昭示着fpga领域的变革，将来也将很快看到fpga与个人应用和数据中心应用

32、的整合。fpga在功耗和性能上相对同等级的传统处理器,有较大的优势。传统处理器+fpga在人工智能深度学习领域，将会是将来的一个重要进展方向。在5g通信领域，fpga是基站单元bbu里进行数字计算的重要环节。射频前端信号在转化为数字信号后，需要使用fpga来计算。fpga供应软件、硅、硬件等参考设计工具，这些工具允许用户使用最少的hdl学问或任何其他fpga特定语言开发嵌入式系统。这些工具的使用使得基于fpga的系统的速度已经显著增加。fpga的主要优点是具有重新编程的敏捷性，并兼具成本优势。它也能够实现任何asics能实现的规律功能。同时，应用dsp和fpga组合可使成本降低。对于无线基站，

33、fpga和dsp可编程规律的系统配分，可促使更大的产品设计和市场胜利率。基站的建设带动fpga增长小基站需求快速增长，出货量将超过2000万个。orogroup发布了一份移动无线接入网五年猜测报告，该报告猜测，接下来的5年时间里，运营商对于宏基站、小基站的需求将会是“迅猛式”，同时了解到,这份报告猜测，基站出货量将超过2000万个,5g新空口大规模天线阵列(massivemimo)收发器的出货量将超过5000万个。2021年美国小基站增速达560%。美国无线通信和互联网协会(ctia)近日发布市场调研报告，其中显示，截至2021年末，美国在网正常运行的移动通信基站总数量是32.3448万个，在

34、过去的10年时间中增加了52%;而且尤其这得一提的是，“基站的密集部署”成为进展趋势-小基站数量从2021年的1.3万个猛升至2021年的8.6万个，增幅高达560%，而且估计在5g时代仍将保持高增速。fpga在通信进展中的重要地位，通讯的进展带来fpga量价齐升。通信行业讲的云主要包括核心网及各种服务器中心，在大数据和云计算没有规模应用之前，核心网设备里面基本没有fpga，因为核心网所处理的协议其实特别标准化，变化不是太大，我们常见的2g-3g-4g以及即将到来的5g，其标准的核心部分实际上主要体现在物理层和规律层，而这些功能主要在管道(基站、基站掌握、承载、传输等产品)中实现，这些标准变化

35、快，各设备厂家为了抢占产品和技术的制高点，甚至在标准还未冻结之前就推出原型样机甚至小批量，而这只有fpga能做到。一般来讲越往终端侧靠近，设备的数量越多，用的fpga量也越多，越靠近核心网侧用的fpga数量越少，但fpga芯片的型号越高端，单片更贵。基站侧用的fpga总价高，随着5g部署，全球基站数有望破亿。基站的量特别大，基站虽然和手机的量没法比，但远多于核心网数量，据不完全统计，全球存量基站有数千万(5g部署后，可能会轻松破亿)，每个基站里面有数块到10数块板子(依据配置不同而不同)，除了电源和风扇板子没有fpga芯片外，几乎每块板子都有fpga芯片，有的还不止一颗。其次，基站里面用的fp

36、ga型号也不会太低端，因为要处理简单的物理协议、部分算法和规律掌握，接口速率更是一个重要的考虑。一般来讲，基站中的芯片价格在一百到数千元人民币不等。价格过高比如几千甚至上万人民币的芯片，最多在初期原型验证用，不会大规模发货。最终，基站主要负责实现通信协议中物理层、规律链路层的协议部分，这部分内容每年都在升级，而且也比较适合fpga来实现。我们可以看到，一个5g基站对fpga需求量几乎是一个4g基站需求量的两倍，5g基站硅的价值量约为4g基站的1.7倍，fpga的价值量比4g基站多大约1000美元的价值量。由此我们可以测算，将1000个4g基站替换成5g基站，带来的fpga的价值量提升约为100

37、万美元，据wind数据，中国移动2021年的4g基站数就有151万个；若直接新建1000个5g基站则将带来接近300万美元的价值增量，而现在的基站存量就有几千万个。随着基站出货量的激烈增长及5g的部署，fpga将迎来迅猛的增长。英特尔fpga中国创新中心英特尔fpga中国创新中心以中国西部硅谷重庆市作为建设中心，同时通过fpga云接入平台及战略合作方案联结中国广阔生态合作伙伴，共同打造围绕fpga技术为核心的科技创新中心。中心将全力助推中国fpga生态建设，培育研发人才，孵化创新项目，加速fpga产业进展及应用落地，推动数字经济与传统产业深度融合，为新一轮科技创新添加新动能。fpga技术调研报

38、告fpga(field-programmablegatearray)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步进展的产物。它是作为专用集成电路(asic)领域中的一种半定制电路而消失的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。fpga芯片由输入/输出块、可配置规律块和可编程互联三部分组成，同一片fpga，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此fpga的使用特别敏捷。fpga芯片是小批量系统提高系统集成度、牢靠性的最佳选择之一。它的应用领域包括航空航天/国防、消费电子、工业、电子通讯等。架构方面，fpga拥有大量的可编程规律单元

39、，可以依据客户定制来做针对性的算法设计。除此以外，在处理海量数据的时候，fpga相比于cpu和gpu，独到的优势在于:fpga更接近io。换句话说，fpga是硬件底层的架构。比如，数据采纳gpu计算，它先要进入内存，并在cpu指令下拷入gpu内存，在那边执行结束后再拷到内存被cpu连续处理，这过程并没有时间优势;而使用fpga的话，数据i/o接口进入fpga，在里面解帧后进行数据处理或预处理，然后通过pcie接口送入内存让cpu处理，一些很底层的工作已经被fpga处理完毕了(fpga扮演协处理器的角色)，且积累到肯定数量后以dma形式传输到内存，以中断通知cpu来处理，这样效率就高得多。性能方

40、面，虽然fpga的频率一般比cpu低，但cpu是通用处理器，做某个特定运算(如信号处理，图像处理)可能需要许多个时钟周期，而fpga可以通过编程重组电路，直接生成专用电路，加上电路并行性，可能做这个特定运算只需要一个时钟周期。比如一般cpu每次只能处理4到8个指令，在fpga上使用数据并行的方法可以每次处理256个或者更多的指令，让fpga可以处理比cpu多许多的数据量。举个例子，cpu主频3ghz，fpga主频200mhz，若做某个特定运算cpu需要30个时钟周期，fpga只需一个，则耗时状况:cpu:30/3ghz=10ns;fpga:1/200mhz=5ns。可以看到，fpga做这个特定

41、运算速度比cpu块，能关心加速。快速成长的fpga市场2021年全球fpga市场约为60亿美金左右，估计随着ai+5g的应用绽开，市场容量有望在2025年达到125亿美金左右的规模，年复合增长率10.22%。同时在亚太地区尤其在中国，新兴基础建设应用的铺开，fpga的复合增速将有望显著优于其他地区，而成为fpga重要的市场抓手。在下游应用领域，电子通讯仍旧占据了主要的市场份额，达到40%左右，这其中5g+ai都是主要的需求;而增速最快的是汽车，cagr将至13.1%。从供应链角度看，fpga生产厂商处于整个电子行业的上游，并多数以fabless的模式运营(altera除外，已被intel收购，

42、属于idm)，fpga同样追求最先进的工艺制程和节点，目前最先进的fpga采纳7nm工艺制程，由xilinx领先发布，台积电制造。目前fpga的主要产业链供应商仍旧集中在欧美地区，以altera(被intel收购)，和xilinx两家为主。两家合计额的市场份额占到72%。fpga行业是一个高进入壁垒领域，市场前景迷人。由于fpga软件开发难度大，需要最先进的制造封测工艺、ip多且杂，因此中国目前的进展存在严峻滞后。从信息、产业和国防平安等方面考虑，中国肯定会加速fpga的国产化，政府对国有半导体产业会有肯定力度的扶持。此外在ai、lot、5g快速进展的推动下，中国将有浩大的fpga增量市场。因

43、此，这是国内fpga厂商快速切入的时机。国内fpga厂商有上海复旦微，紫光同创、京微雅格、高云半导体、上海安路、西安智多晶等，但是同国外领先厂商相比，国产fpga厂商不论从产品性能、功耗、功能上都有较大差距。“5g+ai”带来fpga新增长引擎fpga在电子通信领域增加带宽的应用有望得到快速扩张，以5g+ai为主要应用场景的需求将快速提升fpga的市场容量。电子通讯领域的迅猛进展有望推动fpga市场的扩张。智能手机和移动设备的不断增长增加了电子通讯网络的负担。全世界范围内城市和农村地区的网络用户数量都在不断增长，导致了诸如3g、4glte和5g等网络技术的广泛应用，并产生了电子通讯领域对网络的

44、旺盛需求。与fpgas耦合的设备高带宽收发器被用来满意这一需求。小的fpga设备供应接口和掌握功能，大的设备可以使用一个或多个fpgas完成系统设计。将硬ip集成到公共接口和处理功能中大大提高了fpga在网络应用中的生产率。此外，硅工艺的引入极大增加了规律单元的最大数量。这些特性使得fpga在电信行业的应用中具有吸引力。随着人工智能领域等方面的绽开，fpga也受到了越来越多的异构计算方面的青睐。人工智能算法所需要的简单并行电路的设计思路适合用fpga实现。fpga计算芯片布满“规律单元阵列”，内部包括可配置规律模块，输入输出模块和内部连线三个部分，相互之间既可实现组合规律功能又可实现时序规律功

45、能的独立基本规律单元。留意fpga与传统冯诺伊曼架构的最大不同之处在于内存的访问。fpga在本质上是用硬件来实现软件的算法，因此在实现简单算法方面有一些难度。fpga相对于cpu与gpu有明显的能耗优势，主要有两个缘由。首先，在fpga中没有取指令与指令译码操作，在intel的cpu里面，由于使用的是cisc架构，仅仅译码就占整个芯片能耗的50%;在gpu里面，取指令与译码也消耗了10%20%的能耗。其次，fpga的主频比cpu与gpu低许多，通常cpu与gpu都在1ghz到3ghz之间，而fpga的主频一般在500mhz以下。如此大的频率差使得fpga消耗的能耗远低于cpu与gpu。intel167亿美元收购altera，ibm与xilinx的合作，都昭示着fpga领域的变革，将来也将很快看到fpga与个人应用和数据中心应用的整合。fpga在功耗和性能上相对同等级的cpu,有较大的优势。cpu+fpga在人工智能深度学习领域，将会是将来的一个重要进展方向。在5g通信领域，fpga是基站单元bbu里进行数字计算的重要环节。射频前