電子元器件是對各種電子元件和電子器件（半導體）的總稱。在生產加工時沒有改變原材料分子成分的產品稱為元件，在電路中無需加電源即可在有信號時工作，包括電阻、電容、電感等。器件是指在生產加工時改變了原材料分子結構的產品，包括分立器件、芯片等。

電子元器件是支撐電子信息技術產業發展的基石。電子元器件產業鏈主要由原材料供應商、電子元器件設計制造商、電子元器件分銷商和電子產品制造商組成。

原料供應商向電子元器件設計制造商提供半導體材料、玻璃基板、陶瓷基板、金屬材料等原材料，以及提供生產制造電子元器件相關的設備與軟件。

隨著汽車電子、5G、移動支付、信息安全、消費電子、工業電子等領域的快速發展，全球電子元器件產業進入快速發展期，近兩年全球電子元器件市場增長明顯，且未來的發展空間廣闊。

隨著人工智能（AI）領域的快速發展，傳統的神經網絡算法在通用芯片（CPU、GPU）上效率不高且功耗較大，逐漸不能滿足深度學習苛刻的算力要求。而專用芯片（ASIC）具備計算性能高、計算效率高，且功耗低，同時可實現體積小、可靠性高、保密性強等優勢。

另外，專用芯片（ASIC）可根據特定用戶要求和特定電子系統的需要進行定制化設計、制造，通過定制化芯片來加速人工智能的計算任務。然而隨著深度學習的規模在指數級增長，人工智能的算法又要求定制的芯片可被重新編程來執行新類型的計算任務。

可編程邏輯芯片（FPGA）正是一種硬件可重構的體系結構，同時可兼顧算力強勁、功耗低等優勢。用戶可以根據自己的實際需要，將自行設計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉化為具有特定功能的芯片，滿足特定的應用需求。

隨著新一代通信設備、人工智能、自動駕駛等新興技術的快速發展，FPGA芯片的應用需求不斷增長，FPGA市場規模不斷擴大；根據沙利文統計數據，FPGA全球市場規模從2016年的43.4億美元增長至2020年的60.8億美元，年均復合增長率約8.8%；預計全球FPGA市場規模將從2021年的68.6億美元增長至2025年125.8億美元，年均復合增長率約為16.4%。

近年，汽車行業在智能化的驅使下，汽車所承載的芯片數量不斷提升。其中，自動駕駛功能的發展正推動處理器芯片、微控制器芯片市場的蓬勃發展，且逐漸凸顯這類芯片的重要性。處理器芯片和微控制器芯片作為計算機系統的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執行單元。

在自動駕駛的過程中需要在不同天氣、光線條件下對周圍環境進行實時感知，識別、跟蹤各種動態或靜態的物體并對其可能的行為進行預判。在此背景下，自動駕駛系統需收集大量的信息和數據，然后進行快速運算處理，并作出相應的動作。隨著自動駕駛等級的提高，所需的算力也同樣提升一個等級。因此，處理器芯片和微控制器芯片的未來市場空間廣闊。

FPGA結構，工作原理

FPGA包括CLB(可配置邏輯模塊)、IOB(輸入輸出模塊)、內部連線三大部分，具有和傳統的可編程器件所不同的結構。FPGA通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現邏輯功能，存儲在存儲單元中的值決定邏輯單元的邏輯功能以及各邏輯單元模塊之間或模塊與I/O間的連接方式，并最終決定了FPGA所實現的功能。FPGA利用小型查找表來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，D觸發器用來驅動其他邏輯電路或I/O，由此構成一個既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線相互連接或連接到I/O模塊。

FPGA特點，獨有優勢

1、很多定制化芯片采用FPGA設計，用戶不需投片生產就能得到合用的芯片；
2、采用FPGA設計ASIC電路，周期短、費用低、風險小、質量穩定；
3、FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低；
4、FPGA體系結構、邏輯單元靈活、集成度高、適用范圍廣；
5、FPGA兼容了PLD和通用門陣列的優點，可實現較大規模的電路；
6、可現場重復編程，后期維護成本低；
7、FPGA是并行計算，可以同時滿足多功能需求。

FPGA廠商

1、Xilinx(開發平臺是ISE，是FPGA的發明者，38年來專注于FPGA生態研發；
2、Altera(開發平臺是QuartusII，是可編程邏輯器件的發明者；
3、Actel(開發平臺是Libero)；
4、Lattice(開發平臺是ISPLEVER)；
5、Atmel；
6、國內廠商有：紫光、高云、安路。

FPGA發展歷程

在PLD未發明之前，工程師使用包含若干個邏輯門的離散邏輯芯片進行電路系統的搭建，復雜的邏輯功能實現起來較為困難。
為了解決這一問題，20世紀70年代，可編程邏輯陣列（ProgrammableLogicArray，PLA）問世，PLA中包含了一些固定數量的與門、非門，分別組成了“與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因為此處編程是基于熔絲工藝的），因此可以實現一些相對復雜的與、或多項表達式的邏輯功能，PLA內部結構如圖2所示：

圖2PLA內部結構
與PLA同時問世的還有可編程只讀存儲器（ProgrammableRead-OnlyMemory，PROM），其內部結構如圖3所示。與PLA相同，PROM內部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與門的連接矩陣是硬件固定的，只有或門的連接矩陣可編程。

圖3PROM內部結構
若只有與門的連接矩陣可編程，而或門的連接矩陣是硬件固定的，那么這種芯片叫作可編程陣列邏輯器件（ProgrammableArrayLogic，PAL），根據輸出電路工作模式的不同，PAL可分為三態輸出、寄存器輸出、互補輸出，但PAL仍使用熔絲工藝，只可編程一次。PAL的結構圖如圖4所示。

在PAL的基礎上，又發展出了通用陣列邏輯器件（GenericArrayLogic，GAL），相比于PAL，GAL有兩點改進：

采用了電可擦除的CMOS工藝，可多次編譯，增強了器件的可重配置性和靈活性；

采用了可編程的輸出邏輯宏單元（OutputLogicMacroCell，OLMC），通過編程OLMC可將GAL的輸出設置成不同狀態，僅用一個型號的GAL就可以實現所有PAL器件輸出電路的工作模式，增強了器件的通用性。
GAL的結構圖如圖5所示：

圖5GAL結構圖
早期的PLD主要由上述四種類型的芯片組成，即PROM、PLA、PAL和GAL。它們的共同特點是可以實現速度特性較好的邏輯功能，但由于其結構過于簡單，所以只能實現規模較小的數字電路。
隨著科技的發展、社會的進步，人們對芯片的集成度要求越來越高。早期的PLD產品不能滿足人們的需求，復雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）誕生。可以把CPLD看作PLA器件結構的延續，一個CPLD器件也可以看作若干個PLA和一個可編程連接矩陣的集合。CPLD的內部結構圖如圖6所示。

圖6CPLD結構圖
FPGA比CPLD早幾年問世，與CPLD并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質的區別。FPGA芯片的內部架構并沒有沿用類似PLA的結構，而是采用了邏輯單元陣列（LogicCellArray，LCA）這樣一個概念，改變了以往PLD器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。
除此之外，FPGA和CPLD在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

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FPGA的類型從內部實現機理來講，可以分為基于SRAM技術、基于反熔絲技術、基于EEPROM/Flash技術。就電路結構來講，FPGA可編程是指三個方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是FPGA可編程的核心，我們上面提到的三種技術也是針對可編程邏輯塊的技術。
FPGA的結構圖如圖8所示。

圖8FPGA結構圖

FPGA芯片在電子產業鏈具有不可替代的重要作用，其應用技術難度高且非常重要

FPGA（FieldProgrammableGateArray），即現場可編程邏輯陣列，是芯片史上一項具有創新性、革命性的產品技術。

與傳統芯片ASIC相比，FPGA芯片具有可編輯、可重構的芯片結構，內部設置了數量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發器，可實現芯片功能重新配置。

客戶使用FPGA進行編程后可直接向市場推出原型及小批量產品而無需等待流片周期，同時可以快速通過原型產品獲得市場反饋，減少試錯成本。

FPGA是專用電路中開發周期最短、應用風險最低的器件之一，客戶無需付出大額研發投入即可以獲得適用的核心電路系統，廣泛應用在通信、工業控制、汽車電子、數據中心等領域，幫助客戶產品快速推向市場、搶占先機。

同時，由于FPGA芯片具備設計靈活性強、可編輯性強、IO（輸入/輸出端口）可靈活配置、兼容性強、適應性強等產品特性，是大多數字芯片設計中前端仿真的硬件基礎，屬于半導體設計驗證的核心環節，故在電子產業鏈中扮演著無可替代的角色。

基于以上特點，FPGA芯片可以達到“定制芯片”的效果。設計/制造一款ASIC芯片，可能需要花費上千萬美元，設計-流片-封裝-測試的流程可能需要1-2年時間，并且可能因為下游市場的需求波動導致ASIC推出后不符合當時市場實際需求，試錯成本較高。

FPGA與ASIC的主要區別在于ASIC方案有固定成本而FPGA方案幾乎沒有，在使用量小的時候，采用FPGA方案無須一次性支付幾百萬美元的流片成本，同時也不用承擔流片失敗的風險，此時FPGA方案的成本低于ASIC的，隨著使用量增加，FPGA方案在成本上的優勢逐漸減少，超過某一使用量后，由于大量流片產生了規模經濟，因此ASIC方案在成本上更有優勢，如下圖所示：

圖9FPGA方案和ASIC方案的成本比較
因此，FPGA通常在數字信號處理、視頻處理、圖像處理、5G通信領域、醫療領域、工業控制、云服務、加速計算、人工智能、數據中心、自動駕駛、芯片驗證等領域發揮著不可替代的作用。只有掌握了通用的FPGA設計方法，才能在FPGA獨領風騷的領域中大展宏圖。

FPGA的應用方向

FPGA介于軟件和硬件之間，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向軟件。隨著人工智能、機器視覺的崛起，FPGA更加偏向軟件算法的異構，有和GPU一爭高下的潛力。
FPGA與GPU性能對比圖如圖10所示：

圖10FPGA與GPU的性能對比圖
FPGA軟件方向：以軟件開發為主，開發FPGA在數據分析、人工智能、機器視覺等領域的加速應用能力，主要采用OpenCL和HLS技術實現軟硬件協同開發。
FPGA硬件方向：以邏輯設計為主，針對FPGA特定領域的應用設計、集成電路設計以及芯片驗證能力。
FPGA最初的應用領域是通信領域，但是隨著信息產業和微電子技術的發展，FPGA技術已經成為信息產業最熱門的技術之一，應用范圍擴大，遍及航空航天、汽車、醫療、廣播、測試測量、消費電子、工業控制等熱門領域，而且隨著工藝的發展和技術的進步，從各個角度開始滲透到生活當中。

而采用FPGA方案，能在流片之前大大降低試錯成本。如音頻信號處理客戶，在智能音箱麥克風陣列處理市場，使用FPGA快速進行原型產品開發，s可以與幾大主要音箱廠商聯合完成設計和調試并根據客戶反饋調整了麥克風數量、排列及相關參數算法優化，隨后以FPGA版本為基礎，進行ASIC流片，獲得了優勢性的市場占有率。這是FPGA賦能創新產品設計公司的典型案例。

FPGA芯片具備半定制化、可編程化等“萬能芯片”的特點，也因此注定FPGA芯片設計要求比較嚴格、門檻較高。隨著設計規模和FPGA容量越來越大，相關應用設計越來越困難。

第一，應用設計本身的復雜性使得設計周期變長，驗證的復雜性也會大大增加，項目質量難以控制；第二，FPGA的布局布線更加困難，特別是對于復雜的大型設計，需要在設計初期由經驗豐富的技術團隊對芯片的布局和引腳的布局進行合理規劃；第三，隨著FPGA芯片封裝的增大以及速率越來越高，對PCB的布線也提出了更高的要求。

當下，FPGA芯片在終端領域的應用呈現多樣化趨勢，相關應用設計越來越重要。FPGA的應用領域從最初的芯片原型設計、通信設備制造領域等逐漸向視頻監控、汽車自動駕駛、通信5G基站、大帶寬光纖交換機、工業行業機器視覺、無人物流等領域拓展，FPGA的應用需求呈現出越來越多樣化的趨勢。FPGA芯片在各行業前沿技術的開發創造過程中，扮演著無比重要的角色。

FPGA內部模塊結構復雜，且可編程邏輯器件的基本原理與傳統芯片有著本質的區別，若缺少行業資深專家的指導，較多終端客戶需花費較長的前端研究時間。

FPGA芯片由于其邏輯可編輯和I/O端口可配置等兩方面靈活性，決定其適用于快速迭代、技術前沿的開發研究領域。

以FPGA芯片在汽車電子前沿領域的應用為例。近年來，汽車電子技術突飛猛進，從L1級別前向碰撞預警及車道線偏離預警，到L2級別自動緊急制動及車道保持輔助系統，到L3級別自適應巡航及代客泊車到L4級別的高級別自動駕駛等，汽車復雜功能的實現對處理芯片的算力大小和I/O端口數量提出很高的挑戰及要求。

相對于其他電子系統領域，汽車電子的工作環境更為復雜，對汽車控制系統的功能性、安全性、保密性提出更高的要求。傳統ASIC芯片功能基本固定，僅可以通過更換主芯片、重新進行電路設計等方式來配合汽車功能升級；而FPGA芯片則由于邏輯可重復編輯、I/O端口可編輯、大容量、大算力等優勢，可在兼顧成本和功耗前提下較好地適應快速升級的汽車電子前沿項目。

編輯：黃飛

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