敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 FPGA 提供 了什么价 值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 2023 年 4 月 17 日 看好/维持 电子 行业报告 分析师 李美贤 电话：13718969817 邮箱 limx_ 执业证书编号：S1480521080004 投 资 摘要：FPGA（可编程逻辑 门 阵列）又称“万能芯片”，美国禁运后，作为最“卡脖子”的芯片之一 而 家喻户晓。虽然 全球市场规模 只有 80 亿 美元，FPGA 这个 不大不小的市场 却撑起了龙头赛灵思 近 500 亿美元的市值（英特尔 平均 市值 在 2000 亿美元上下，所在市场规模是 FPGA 的 10 倍）。目前，全球 90%的市场份额由美国 FPGA 厂商垄断，国产替代必要性 不言而 明。美国禁运后，国产 FPGA 厂商迎来 发展的历史 性机遇。FPGA 究竟有 什么价值？什么在驱动 它的未来的 成长？龙头为什么能有这么高的市场份额？护城河在哪 里？本土 厂商又要 如何 培育 自己的竞 争优势？针对这些 问题，我 们 复盘了 FPGA 三大厂 商：赛灵 思、Altera 和Lattice 的 发展历程，总结出了 核心 规律，并在 FPGA 五问五答 系列报告 中逐一 为投资者 解答。作为我们FPGA 五问 五答 第一 篇，在这篇报告中，我们 首先回答 一个最关键的问题 FPGA 提供了什么 价值？为了回答这个问题，我们仔细研究了 FPGA 和其他 处理器 的架构 演变 和历史，回答如下：FPGA 无可比拟的灵活性，以及 确定性的低 时延优势，是 FPGA 难以被替代的原因，也是 FPGA 为客户提供的独一无二的价值。FPGA 是什么？在 半导体产业链中的位置？芯片分为模拟芯片和数字芯片，数字芯片 负责 处理数字信号，分为处理器、逻辑、存储三大类。FPGA 是可编程的逻辑芯片，和其它逻辑芯片的不同之处在于，用户可以随时定义其硬件功能。虽然 FPGA 市场 仅占逻辑芯片的 5%，市场规模仅有微处理器的大约十分之一，但 在许多领域是不可或缺 的。FPGA 为什么在历史上 脱颖而出？PLD 诞生的动因来自 于 ASIC 和 ASSP 的不足，通过可编程来满足降低芯片设计风险的需求。FPGA 并不是第一个被创造出来的可编程逻辑器件，但由于 FPGA 的架构弥补了 PLD 和 ASIC/ASSP 的缺环，能够 满足 下游 不断增长的容量和速度的需求，在发明后的 10 年开始飞速替代 SPLD 和 CPLD，成为独占鳌头的可编程逻辑器件。FPGA 如何 做到“万能”？数字电路有两大类：组合电路和时序电路，时序电路即“组合电路+存储”。所有组合电路都有对应的真值表，FPGA 的可编程逻辑块中的 LUT，本质上是一个对应真值表输出的查找表，可以完成任意组合电路的功能。通过改变 LUT4 里面的 16 位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器 等存储单元，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。FPGA 独一无二的价值在哪里？1）灵活性高，适合高速迭代的场景（能“经常改”）：FPGA 可以实现任何电路功能，其耗时甚至不超过一秒，修改不限次数，这一特性尤其适合以下 4 种场景：标准/协议/算法经常更改的行业，快速迭代、成本敏感的行业，小批量的行业，以 及 反复修改验证的设 计；2）并行性好，适合要求低时延和 大量并行计算的场景（“算得快”）：FPGA 内部数十万个 CLB 可以同时独立工作，实现 大规模 的并行计算 耗时极短，由于不存在线程或者资源冲突的问题，FPGA 的时延是确定的低时延，特别适合低时延的场景。什么是“好”的 FPGA？一般来说，FPGA 的制程越先进、逻辑单元数越多、固化功能越复杂，能构造的电路就越大型、越复杂，FPGA 越“好”。尽管如此，一块“好”的 FPGA 并不一定是能力上的最优，而是最贴近使用者的需求，因此，龙头 对市场做了非常 高 的细分。以龙头赛灵思为例，其拥有高端的 Virtex，性价比的 Kintex，低容量的 Spartan，超低功耗的 CoolRunner，再加上温度、速度等级等的的区别，仅 7 系产品就有高达 1000+的料号，产品矩阵非常完备。特别地，我们回答了 市 场对于 宇航级 FPGA 的疑惑：在卡门线以上（海拔高度 100km）运行的电子系统需要使用宇航级 FPGA，由于 外太空的航天器接受的辐射量是地面的百倍甚至千倍以上，严重的可致器件损坏，导致在轨任务的失败，航天器需要具备电路级的抗辐射能力。FPGA 的抗辐射能力和航行高度挂钩：在 LEO 高度，使用耐辐射（Radiation Tolerent）FPGA 即可；进入 MEO 或者 GEO 高度，需要使用辐射加固（Radiation Hardened）FPGA。宇航级 FPGA 主要考虑对总剂量效应和单粒子事件的防护能力，具体指标有 TID 耐性、SEL 阈值、SEFI 发生率和 SEU 发生率。宇航级 FPGA 需要额外使用许多技术，制造的成本高，做到辐射加固级更是需要从设计到制造封测的一系列流程改变，因此价格 通常 非常昂贵，目前，全球有能力提供宇航级 FPGA 公司屈指可数。过去，星载 FPGA 处理能力落后于商业级 10-15 年，现在已经和商业级接近，背后是不断增长的提升卫星处理能力的需求。为什么 FPGA 这么 难？我们认为，一是产品定义上，FPGA 设计 者 必须平衡市场 上各个需求，难度在于如何平衡可编程功能和固化功能，需要对客户需求有非常好的了解。我们回顾了 Altera 历史上在 Excalibur 的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。二是从技术上，体现 在 FPGA 必须跟上最新的制程。制程领先是 FPGA 市场份额最直接的决定因素。从 Altera 在 40nm对赛灵思的 赶超，可以看出制程领先对 FPGA 的重要性。FPGA 设计不是简单地堆叠逻辑单元，如何排布逻辑单元和各固化单元，来平衡性能提升和面积、时延、功耗之间的矛盾，是非常重要的问题，需要设计者考虑架构的先进性和针对性。三是 FPGA 硬件和设计工具绑定的 特点，使得 EDA 和硬件必须做到 并重开发。FPGA 软件 最核心的地方在于布局布线，虽然仿真等工作 已经可以由第三方 EDA 完成，但由于架构不公开，并不存在通用的 FPGA 布局布线工具，历史上赛灵思和 Altera 都曾与第三方的EDA 公司 合作优化仿真以及综合的流程，但 布局布线从来只在自 家的 EDA 上进行。因此，FPGA 的容量每上一个台阶，就必须更新配套的“映射-包装-布局布线”三大算法。这种硬件和软件高绑定的特点，使得 FPGA 新进厂商在攻克了硬件的诸多技术难点外，还要完成配套软件 和复杂的 工具包 开发，这是 FPGA 的设计难于其它类型芯片的原因，亦 是 FPGA 的进入壁垒如此之高的原因之一。风 险 提 示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期。XVEVuNsPnOpOpRsRsPrOqR7N8QbRnPrRmOmPkPrRmQjMpOpQ7NpOsNvPpPtOvPtQqO 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P3 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 目 录 1.FPGA 在 半导体中的位置？如何在历史 迭代中脱颖而出？.5 2.FPGA 如 何工作？.8 3.FPGA 特 点是能“经常改”和“算得快”.14 4.什么是“好”的 FPGA？.16 5.设计“好”的 FPGA，难点在哪里？.26 风险提示.31 插图目录 图 1：FPGA 的 特征在于 硬件可编程.5 图 2：FPGA 实 物图（从 左到右依次为 Xilinx、Altera、Altera、Actel 的 FPGA/CPLD 芯 片）.5 图 3：全球半导体市场图谱（2022），FPGA 属 于逻辑芯片中的可编程逻辑器件.6 图 4：FPGA 发 明初衷是 弥补当时 PLD 和 ASIC 之 间的缺环.7 图 5：自 1985 年发明以来，FPGA 在 容量 和集成度上不断进化.7 图 6：SPLD 大多基于与阵列和或阵列，缺点在于在容量扩展时系统极易变得冗余.8 图 7：FPGA 由 可编程逻 辑块、可编程连线、及可编程 IO 三部分构成，最重要的“积木”是 LUT 和寄存器.9 图 8：LUT 的 SRAM 的 对应真值表的输出，通过配置 SRAM，LUT 可 以实现不同的 组合电路功能.10 图 9：FPGA 厂 商的 EDA 最 主要负责将用户描述的电路映 射到可编程逻辑块上，并在布局布线上满足 时序约束.11 图 10：可编程 IO 负责 FPGA 对 外交互，同样是非常重要 的部分（以赛灵思 Virtex-7 为例）.12 图 11：赛灵思 7 系 FPGA 的 架构 ASMBL（第四代），典型特点 是以列排布 CLB、BRAM、DSP 等 的资源.13 图 12：FPGA 灵 活性高、并行性好的特点，使其特别适合小批量、时延要求低、变化 快的场景.14 图 13：FPGA 产 品大多以“产品组合+制程”的形式命名（下图以赛灵思 FPGA 产 品 矩阵为例）.17 图 14：90 年代，FPGA 厂 商 在门级规模数上展开竞争，巨头赛灵思和 Altera 均在 90 年代末完成百万门级 的跨越.18 图 15：赛灵思和 Altera 的产品矩阵，高中低端市场覆 盖完整.20 图 16：FPGA 的 功耗拆分，从硬件上降功 耗最为有效.22 图 17：Lattice 的 FPGA CrossLink 嵌入了性 能优异的 MIPI 硬核，在安防行业特别受欢迎.22 图 18：Lattice 在低功耗上 的优势明显，在低容量做到功耗比竞品低 70%-75%.22 图 19：外太空环境需要使用宇航级 FPGA，其 抗辐射能力和航行高度直接挂钩.23 图 20：宇宙射线导致的单粒子效应是航天器发生 故障的最重要原因.24 图 21：离地球越远，FPGA 的 抗辐射能力 要求越高，使用到的辐射加固技术就越多.25 图 22：Altera 曾经因为 Excalibur 丢失了大部分市场份额.27 图 23：FPGA 在 最新制程的推出速度，基 本可以预测 2 年后的市场份额.28 图 24：FPGA 的 架构设计需要考虑非常多 的因素，赛灵思等巨头与学界紧密合作.28 图 25：FPGA 和 软件绑定的特点，使得 EDA 和 硬件同等重要.29 图 26：全球前三 FPGA 公 司的研发费率 常年保持 20%以上.30 图 27：除了 FPGA 和 配套的 EDA，如今的 FPGA 厂 商还提供了 板级的解决方案，以实现客户快速开发的目 的.30 P4 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 表格目录 表 1：与其它 PLD 不同，FPGA 主 要基于 SRAM 技术，使得技术 节点总能保持最新.8 表 2：FPGA 的 本质是高 度标准化的逻辑芯片，相比 ASIC 和 ASSP，PLD 的 突出优点在于灵活性高.15 表 3：评价 FPGA 性 能的 指标可分为逻辑资源、IO 和固化单元的指标，主要考虑制程、逻辑单元数.16 表 4：FPGA 高 中低端市 场的需求来源，各市场定位性能指标典型值、下游需求及龙头产品组合.21 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P5 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 1.FPGA 在 半导 体中 的位置？如何在历 史迭代中 脱颖而出？FPGA 是 一种 特殊 的逻 辑芯 片，和其 它逻 辑芯 片的 不同 之处 在于，用户 可以 随时 定义其 硬件功能。FPGA 又称现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array），在 1985 年由赛灵思创始人 Ross Freeman 发明，是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的 逻辑芯片。FPGA 的 命名 反映了 诞生时 的 特征：1）现场 可编程（Field-Programmable）：在 80 年代，芯片的配置大多数保存 在 掩膜的 ROM 或者 PROM里，更改芯片功能需要将芯片拆下返回晶圆厂 修改，即“Mask-programmable”。而 FPGA 可以使得 客户 在拿到芯片后，通过本地 或者 远程 配置 FPGA，即 在使用 的“现场（Field）”实现。可编程 是 指 FPGA 底层逻辑运算单元的连线及逻辑布局没有固化，因此 可以实现任意数字逻辑功能。虽然 CPU、GPU 都可以实现编程，但这 种可 编程 是指 改变 其寄 存器 的配 置，用户 并不 能改 变其 硬件 功能。而 FPGA 可编程 的是硬件可编程，内部的逻辑 块、连线、I/O 等资源 都可以 由用户配置，使得 同一片 FPGA 既可 以 在 5G 的基站 实现 信道编码的功能，也可以 在重新配置 后 放在数控机床中实现电机控制 的功能。因此，FPGA 又被称作“万能”芯片。2）门阵列（Gate Array）：FPGA 被认为是门（Gate）的“阵列（Array）”，芯片就像一片空白画布一样可以被配置成 实现 不同功能 的电路。同时，门阵列 亦 是 FPGA 诞生时对标的 竞争产品，是 一种可定制的 ASIC，但只有布线是可 改 的，而固化的晶体管是预先放置好的 无法更改，而 FPGA 是逻辑单元和布线均可 反复更改。门阵列 在 90 年代普遍应用在 百万门级的复杂电子系统中，而当时 FPGA 的逻辑门数普遍在不超过 25 万门的水平。随着电子系统复杂度提升，门阵列的架构 愈发 冗余，而基于 LUT 的 FPGA 架构更精简，更能胜任高密度的设计。因此，90 年代末，FPGA 在突破了百万门级的限制 后，迅速 替代 门阵列。图1：FPGA 的特征在于硬件可 编 程 资料来源：赛灵思，东兴 证券研 究所绘制 图2：FPGA 实物图（从左到右 依 次 为 Xilinx、Altera、Altera、Actel 的 FPGA/CPLD 芯片）资料来源：英特尔，东兴 证券研 究所 P6 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 半导体 产品 可以 分 为数字芯片、模拟 芯 片、分立器件、光电子和传感器 四大类，数字 芯片 是最 大的 市场。其中，光电子&传感器常见产品有激光二极管、压力传感器，2022 年全 球市 场规 模 为 655 亿美 元；常见 的分 立器件有 IGBT、电容 电阻 等，2022 年全球市场规模 340 亿美 元。在集 成电 路（IC）中，模拟芯片 负责 处理时间和幅值都连续的模拟信号，2022 年全球市场规模达到 890 亿美元；而数字芯片 负责 处理以高低电平代表1-0 的数字信号，市场规模 3849 亿美元，占半导体市场 近 70%，是 半导体中 最大的 市场。逻辑芯片是数字 电 路 的 主 体，负 责 信 号 的 交 互 处 理。数 字 芯 片 主 要 可 以 分 为 三 大 类：1）微器件（Microprocessor），即 CPU、GPU、MCU、DSP 芯片，一般 负责控制、计算和信号处理，占 数字芯片整体市场规模的 20%；2）逻辑芯片（Logic），负责电子系统内部数字信号的交互和处理，占 约 45%；3）存储（Memory），负责存储的 指令和数据，占 约 35%，NAND FLASH、DRAM 都是常见的 存储 芯片。而根据应用范围 的不同，逻辑芯片又可 分为通用逻辑 和特定应用逻辑（ASSP 和 ASIC）两大类。FPGA 属 于通 用逻辑芯片中的 可编程器件（PLD），虽然 仅占 逻辑 芯片 的 5%，但在 不少 场景 中 是必须使用的。图3：全球 半 导体市场图谱（2022），FPGA 属于 逻 辑 芯片中的 可编程逻辑器件 资料来源：WSTS，MarketsandMarkets，东 兴证券 研究所 整理绘制 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P7 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 例如，在 5G 基站的信号处理、大型 芯片 的原 型仿 真 等领域 会大量使用到 FPGA 芯片。但如今 FPGA 的应用早已脱离出了传统的通信 领域，以其独特的 高并行 高灵活 的特性，不断向深度学习拓展渗透，在 人工智能时代重要性愈发凸显。尽管 FPGA 现在 是 个相 对小 众的 市场（全球约 80 亿美元），市 场规 模仅 有微 处理 器的大约 十分之一，但以 其优 越的 商 业模 式，和在人工智能时代的 潜力，撑起了龙头 赛灵思 近 500 亿美元的市值。PLD 诞 生的 动因 来自 于 ASIC 和 ASSP 的 不足，通过 可编 程，即可“改”，来 满足 降低 芯片 设计 风险 的 需求。PLD（Programmable Logic Device）即可编程逻辑器件，在 70 年代 PLD 被 发明之前，复杂和高性能的电子系统都是 由 ASSP（Application Specific Standard Product）或者 ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）实现 的，但 ASSP 和 ASIC 制造费时 且 昂贵，制造完成 后功能就固定了，一旦出问题 便 难以更改，因此人们需要一种可以 在 使用时 能 更改功能，即“可编程”的器件，以减少设计的时间和风险，PLD 应运而生。作为 PLD 之一的 CPLD，其 发明者 Altera 公司的名字也体现了这一特点 Altera 即“Alterable”，指芯片 功能 是“可更改”的。图4：FPGA 发明 初 衷 是 弥 补 当时 PLD 和 ASIC 之 间的 缺环 图5：自 1985 年 发明以来，FPGA 在 容 量 和集成度上不断进化 资料来源：Max Maxfield，东兴 证券研 究所绘制 资料来源：赛灵思，东兴 证券研 究所绘制 FPGA 并 不是 第一 个被 创造 出来 的可 编程 逻辑 器件，但 由于 其架 构 能满 足不 断增 长的 容量 和速 度的 需求，最终打败了 SPLD 等的竞争 产品，成为独占鳌头的 可编程 逻辑 器件。1）第一个 PLD 是 PROM，诞生 于 70 年代，与随 后的 PLA、PAL、GAL 架构 类似，都是 基于“与”和“或”的阵 列，因此 并称 为 SPLD（Simple PLD）。其原理是任何逻辑表达式都可简化 为“与-或”或者“或-与”的表 达形 式。优点是编程简便，但阵列式的结构特点，使得 输入 增加 时，芯片 体积 很快就会变得过大。因此，在 80 年代初，2）Altera 发明了 CPLD（Complex PLD），内部用中央连接 阵列 完成 多个 SPLD（PAL）的互联，比全连接 节省空间。CPLD 的 性能及复杂度要好于 SPLD，但 由于 同样是基于乘积项（product-term）的架构，仍无法 胜任 大型的设计。随后，3）在 1985年，赛灵思创始人 Rose Freeman 发明的 FPGA，在容量和可扩展性上要 远好于 CPLD，从此弥补了 PLD和 ASIC/ASSP 的缺环，即 可编程器件 在大型 系统 设计上的缺位，并在发明后的 10 年，即 90 年代后，制造成本大幅降低，开始 飞速 替代 SPLD 和 CPLD，现在 已几乎成为 了 PLD 的“代名词”。发明 以来，FPGA 不仅 逻辑 单 元数 在不断 提升，集 成度 也 在不断提高，向异构化发展。世界上 第一片 FPGA是赛灵思的 XC2064，仅有 64 个逻辑 单元，使用 2.5 m 制程。在摩 尔定 律加 持下，FPGA 容量和性能不断提升。如今，赛灵 思最 先进 的产 品 为 2018 年开始推出的 Versal 系列，最高 拥 有 7532K 的逻 辑单 元，不仅 逻P8 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 辑单元数远超第一片 FPGA，形态 亦脱离了传统 FPGA 的范畴，包含了 CPU、DSP、AI 引擎等 多个单元，是一种 包含了 FPGA 的异构计算平台（异构即 片上有 两种 及 以上的 处理器，一般指集成了 CPU）。图6：SPLD 大多基于与 阵列和 或 阵列，缺点在于 在容量扩展时 系统 极易 变得 冗余 资料来源：华中科 技大学，东兴 证券研 究所绘制 此外，FPGA 大多 基于 SRA M 技术，使 其往 往容易跟上最新 技术 节点，最终 在 PLD 中 脱颖而出。SPLD 大多是基于熔丝（PROM）和 EPROM、EEPROM 技术 实现可编程，CPLD 大多是基于 EEPROM 或者 Flash，这些技术都往往落后最新节点一代或更多 代。而 根据 配置单元 的不同，FPGA 可以 分成三类：1）基于 SRAM技术 的 FPGA，这是 FPGA 的主流技术，虽然 SRAM 易失性的特点使 其 需要外部的存储来保存 配置文件，但由于 SRAM 总在每一代 CMOS 工艺的最前列，SRAM 型的 FPGA 往往能跟上最新的技术节点，这一 特点足以抵消需要外部存储的 不足；2）基于 反熔 丝的 FPGA，最明 显的 特点 是被 射线 击中 后晶 体管 不易 发生“翻转”。但反熔丝 资源数少，不适合做复杂 的信号处理，因此，在宇航级电子系统中 常用于监控和重配置 SRAM型 FPGA，Actel（现 Microchip 子公司）的 以其反熔丝 FPGA 闻名；3）基于 EEPROM 或 FLASH 的 FPGA，特点是能立即启动（Instant-on），因为 他们 都是非易失性存储，只要配置过一次就能保持电路状态，但技术节点 同样 落后 SRAM 一代或更多 代。表1：与其它 PLD 不 同，FPGA 主要基于 SRAM 技术，使 得技术 节点 总能保持最新 可编程技术 相关器件 特点 熔丝/PROM SPLD 早期的 PLD 技术，现在已经不使用 反熔丝（Anti-fuse）FPGA 抗辐射 性强，但无法重新编程，资源数也较少，技术节点落后一代或更多 EPROM SPLD、CPLD 现在 已经很少使用 EEPROM/Flash SPLD、CPLD、部分 FPGA 瞬时性高但重编程慢于 SRAM 型，技术节点落后一代或更多 SRAM FPGA、部分 CPLD 可扩展性最强，虽然需要外部存储，但技术节点容易保持最新 资料来源：Max Maxfield，东兴 证券研 究所 2.FPGA 如 何工作？要回答“FPGA 提 供了 什么 价值”的 问题，我 们 需要 理解 FPGA 的 架构 和原理，即 FPGA 是 如何 工作 的？东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P9 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 FPGA 由 可编 程逻 辑块、可 编程 连线 和可 编程 I/O 三 大部分 组成。其中，1）可编 程 逻辑 块 是 FPGA 架构中最重要的部分，负责 承 载主要的电路功能；而 在电路 被映射到各个逻辑 块 后，预先放置的 2）可编程 连线 负责将这些 逻辑块 以时延最优的方式 连在一起，共同构成一个更大规模的电路；最后，由 3）可编程 I/O 负责FPGA 与 外界交互，可以 实现诸如 将信号 串行 解 串行、将信号延迟以对准时钟 等更复杂的功能。可编程逻辑块 本质 上 由 多个 LUT、MUX 和 寄存器 构建 而成，用于 承载 电路中 的 一个 个逻 辑“门”。每 个厂商对自 身 FPGA 的可编程 逻辑块的称呼不一样，比如赛灵思是 CLB（Configurable Logic Block，可编程逻辑块），而 Altera 则是 LAB（Logic Array Block）。尽管如此，可编程逻辑块 中最重要的 两块“积木”就是LUT（Look-up T able，查找表）和寄存器。以赛灵思 传统的 FPGA 为例，1 个 CLB 包含 了 4 个 Slice，而 1个 Slice 由 2 个 逻辑 单元（Logic Cell，LC）组成。每个 逻辑 单元 包 括 1 个 LUT4、若干 个 多路 复用 器（MUX）和 1 个寄存器，可 完成时序 电路 和组合电路，代表 FPGA 的 基础 容量。现代 FPGA 中 往往 有数十万个 逻辑块，彼此 既可 前后 相连，也可 同时 独立 地处理 IO 输入 的信号，不需要 耗费时间处理 控制指令，这是 FPGA并行性好的原因。其中，LUT 是 FPGA 实 现可 编程 的基 础，本 质上 是一 个对 应真 值表 输出 的查 找表，可 以 完成任意 组合电路的功能。比如，下 图中的 组合逻辑（Y=AB+D+C）最少 需要 3 个逻辑门实现（与 门、异或 门、或门），在 FPGA 里面需要占用 到 一个逻辑单元。传统 的 FPGA 基本是 LUT4（四输入的 LUT），而现 代的 LUT 基本是 LUT6 或者 LUT8。除此 之外，LUT 可以当作 分布式的 RAM 来使 用，比如 LUT4 就是一个 16*1 的 RAM。图7：FPGA 由 可编程逻辑 块、可编程连线、及可编程 IO 三 部分 构成，最重要的“积木”是 LUT 和 寄存器 资 料 来 源：东兴证 券研究 所 绘制 P10 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 通过改变 LUT4 里 面的 16 位掩码，就 能灵活地 对 应不 同的组合 电路，再 结合寄 存器，可 以完 成时 序电 路的功能，从而 实现 任 意电 路的“可编 程”。数字 电路有两大类：组合 电路 和时 序 电路。组合 电路 的 功能 就是 负责在特定规则下，将输入的信号转换为输出信号。例如，我们规定当 AB 同时为 1，或者 CD 不同时，输出才为 1，否则 为 0，这一 规则对应的表达 式 为 Y=AB+D+C。由于 A、B、C、D 每个 变量 有“0”和“1”的选 项，所以 输出 有24即 16 种 可能，我们 将输入和输出 的 所有可能列出来，就形成了一张真值表（Truth Table）。将真值表中输出的16 位数值 配置到 LUT4 的 SRAM 单元 中，我们 就能 把 组合 电 路映 射到 查找 表中。一个 LUT4最多能表示 20 个 2 输入的逻辑门，百万甚至千万门级的电路往往是通过可编程连线，将不同的逻辑单元连在一起组合而成。而时序电路即“组合电路+存储”，逻 辑单 元中 的寄 存器 可以 用作存储单元，将组合逻辑的结果 送到 下一个 组合电路的输入端，电路 就能 像流水线一样 同时 工作。图8：LUT 的 SRAM 的 对 应 真 值 表的输出，通过配置 SRAM，LUT 可 以实现不 同的 组合 电路功能 资 料 来 源：东兴证 券研究 所 绘制 可编程 连线 负责 联 通 FPGA 中的众多模块，以 一种 满足 时序 约束 的方式。将目标电路在 FPGA 上实现，包含了 三个 最核心 的 步 骤：1）映射（Mapping）：将电路的逻辑门映射到不同的 LUT 中，形成 LUT 级网表；2）包装（Packing）：将这些 LUT 放置 到 CLB 中，形成 CLB 级网表；3）布局&布线（Place-and-route）：将 CLB 放置 在合适的位置并彼此相连。由于 数据 信号 的处理和传输 需要时间，时钟 信号 的传递 和 变化 也需要时间，如果 布局和连线的方式不合理，就会出现 数据 到达下一个 寄存器 的时间过晚或者过早，即 数据采集失 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P11 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 败的情况。大型的电路往往有数十万个 CLB 需要相连，这项复杂的工作由 FPGA 厂商的 EDA 工具负责，例如赛灵思的 Vivado，Altera 的 Quartus，这些 EDA 将电路映射到多个 CLB 上，并且 找到 合理 的 布局和 连接方式，确保电路 能 在用户 指定 的频 率上 工作，即 满足 时 序约 束。因此，连 线的 可编 程性 更 多地 体现 在 EDA软件对于 时序约束 的满足 能力上。如 何提 高自 家 EDA 在 映射、包装、布局&布线这 三个 核心 步骤 的效 率，以减 少 客 户的 设计 用时（进而培养使用习惯），一直都是 FPGA 公司 的研 发重 点，也是 其竞争法宝。图9：FPGA 厂商的 EDA 最主要 负 责 将 用户描述的电 路映射到 可编程 逻辑块 上，并 在 布局 布线上 满足 时序约束 资料来源：MaxField FPGAs Devices,Tools and Flows，Vivado，隋文涛 FPGA 布 局 算 法研究，东 兴证券 研究所 布局 布线 是 FPGA 厂 商的 独门 秘籍，是 其 EDA 的 核心。完整的 FPGA 设计流程包括三大步骤：设计输入（Design Entry）、仿真&综合（Simulation&Synthesis）、实施（Implementation）。“设 计输 入”指将 电路 用硬件 描述 语言（Verilog 或 VHDL）描述，“仿 真”即检 查描 述的 电路 功能 是否 完整，“综 合”负责 电路 的映 射和包 装，“实 施”即布 局&布线。在随后的 静态 时序 分析（STA）和调试 无误后，形成比特流文件 下载 到 FPGA中，电路 就可 以“跑”起来 了。尽管 FPGA 厂商的 EDA 工具能提供一套完整的流程，但 在设计 大型电路 时，电路的验证仿真往往交给第三方的 EDA 完成，例如 Mentor 的 ModelSim。而 FPGA 的 EDA 则 负责进行下P12 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 一步的综合（甚至综合也可以在第三方 EDA 中完成，例如 Synopsys 的 Synplify）。这 是由 于电 路仿 真不 涉及 FPGA 的具体架构，只需考虑电路功 能的完整性。随着电路的 大型化和复杂化，这一工 作逐渐由第三方EDA 公司 承担。而 FPGA 厂商的 EDA 真正核心之处在于布局和布线。因为 布局 布线 涉及 FPGA 的内部 具体架构，这 是每 家 FPGA 公司的机密，无法交给第三方完成，这是 FPGA 厂商需要自 研 EDA 的根本原因。从FPGA 诞 生 以 来，布 局布 线 就 从来只在 FPGA 公 司的 EDA 上 进行。可编程 IO 负责 FPGA 和外界的 交互，可以对输入 和 输出信号做复杂的处理。FPGA 通常有几百 到上千个管脚，除了 时钟、电源 和 配置 的 专用 管脚外，大部分管脚 负责引入 或 输出 信号。FPGA 的可编程 IO（IO Tile）是 FPGA 非常重要的部分，由 IOB 模块（Input/output Buffer）和紧 邻 的 IO 逻辑资源共同组成。外界的信号从管脚 进入 FPGA 的 CLB 之前，首先 通过 可编 程 IO 进行处理。除了可以指定引脚的电压水平和标准外，还能执行 许多 复杂的 处理。例如，将信号延迟输入以对准 FPGA 内部的时钟，将信号 异步或者同步 采集 等 功能。图10：可编程 IO 负责 FPGA 对外交互，同样是非常重要的部分（以赛灵思 Virtex-7 为例）资料来源：赛灵思，东兴 证券研 究所绘制 其中，可编程 IO 中最重 要的 功能 为串 行 和解 串行 数据。以赛灵思的 Virtex-7 FPGA 为例，IO Tile 中的ISERDES 模块可以将输入的串行信号解串行为并行信 号，OSERDES 模块可以将输出的并行信号串行，以 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“FPGA 五问五 答”系 列报告 一 P13 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 进行远距离传输。此外，FPGA 中功能相似位置相近的 IO 接口 归为 一个“簇（bank）”，1 个簇包含 50 个 IO口，因此 FPGA 的 IO 数量一般为 50 的倍数。一个 FPGA 可以有数十个簇，高达 1000 多个 IO 接口。现代的 FPGA 是逻 辑单 元和 固化 功能 的混合体。除了 传统的 CLB 模块 外，90 年代 开始，FPGA 厂商不断将频繁用到的功能“固化”到 FPGA 中，包括 RAM、DSP、收发 器、CPU 等 单元，用户可以直接 在片上 调用，而不是用逻辑单元实现。这一操作可以 极大地 提高计算效率，避免浪费宝贵的逻辑资源，节省芯片面积。图11：赛灵思 7 系 FPGA 的架构 ASMBL（第 四代），典型 特点是以列排布 CLB、BRAM、DSP 等的资源 资料来源：赛灵思，东兴 证券研 究所绘制 除此之外，为了实现更好的性能，现代 FPGA 的 逻辑块 和互 联结 构也 发 生了 变化。首先，从可编程逻辑块 内部每个查找表的结构来看，主流的 FPGA 从 LUT4 变成 LUT6 或者 LUT8，以 减少逻辑块数量、降低走线时延，且内部的输入方式可以按需组合。例如，Altera ALM 中 的 LUT8，可以按需划分成任意输入组合；赛灵思 CLB 中 的 LUT6，也可 以划 分成 两个 LUT5 使用。其次，逻辑块 内部除了 LUT、寄存 器、多路 选择 器这“三大件”外，还添加进了一些固化电路。例如，赛灵思在 其 CLB 内部的每个 Slice 里 都固化了进位链，以实现更快的算术运算。最后，在互联上，同一个 CLB 内部的 SLICE 互不相连，以 避免全连接带来的布线延时。P14 东 兴 证 券深 度报 告 FPGA 提 供 了 什么 价值？“F P G A 五问五 答”系 列报告 一 敬 请参阅 报告结 尾处的 免责声 明 东方财智 兴盛之源 3.FPGA 特 点是能“经常改”和“算得 快”在解释 完 FPGA 的 原理 架构 后，我们 来 回答第一个问题，即 FPGA 给 用户 提供 了什么价值？我们将其 总结为 能“经常 改”和“算得 快”：1）灵活性 高，适合 高速 迭代 的场 景（能“经 常改”）：正如我们前文 解答 过，只需 要改 变 FPGA 中 LUT 的掩码，一片 FPGA 就可以承载另一个电路的功能。因此，FPGA 可以实现任何电路功能，其耗时甚至不超过一秒，修改不限次数，这就是 FPGA 极 高 的灵活性 特点。FPGA 这一特性尤其适合以下 4 种场景：a)标准/协议/算法 经常 更改 的行 业，需要支持 可重构 的系统，例如，无线通信协议经常更 改、数据中心互联需要兼容多种协议标准、神经网络 算法 飞速迭代、军工 通信 加密方式经常变化、在轨 航 天器的处理 系统 动态 重构等，类似的场景 使用 FPGA 能够节省 大量的 时间和研发成本；b)快速迭代、