人工知能 (AI) テクノロジーの急速な発展に伴い、その応用範囲は単純な画像認識から複雑な自然言語処理まで拡大し続けています。オートパイロット、インテリジェント製造などの最先端の分野で、AI は前例のないスピードで世界を変えています。

この AI 革命では、ディープ ラーニングがその中核的な原動力としてアルゴリズムとモデルの革新を促進し続け、コンピューティング リソースに対する要件もより厳しくなっています。

FPGA は 1985 年に誕生してまだ日が浅いものの、「プログラマビリティ」という独自の利点によりチップの波の中ですでに地位を獲得しており、GPU チップのもう 1 つの強力なライバルとなっています。

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FPGAの特徴

FPGA チップはプログラマブル デバイス (PAL、GAL、CPLD) に基づいて開発され、セミカスタマイズされたプログラマブルな集積回路です。 FPGA には 3 つの主な特徴があります。

高いプログラマビリティと柔軟性

CPU、GPU、DSP、メモリ、各種ASICチップなど、チップ製造後は機能が固定されており、ユーザーがハードウェア機能を変更することはできません。 FPGAチップの製造後、その機能は固定されておらず、ユーザーはFPGAチップ会社が提供する専用のEDAソフトウェアを使用して、実際のニーズに応じて設計した回路を機能的に構成することで、ブランクのFPGAチップをFPGAチップに変換できます。特定の機能を備えた集積回路チップ。

各 FPGA チップは、さまざまな機能を実現するために複数の異なる機能を使用して構成でき、非常に柔軟性があります。

短い開発サイクル

たとえば、ロジック チップでは、ASIC の製造プロセスにはロジックの実装、配線処理、テープアウトなどの複数のステップが含まれますが、FPGA では配線、マスキング、カスタム テープアウトが不要なため、チップ開発が大幅に簡素化されます。 ASIC、DSP、SOC などの一般的なロジック チップの開発サイクルは 14 ～ 24 か月、またはそれ以上かかりますが、FPGA はわずか 6 ～ 12 か月で、他のチップの開発サイクルに比べて 55% 短縮されます。

世界最大の FPGA メーカーであるザイリンクスが、製品の発売が 6 か月後になると、利益は 4 週間毎晩に相当すると考えています。市場シェアの14%を失った。

高い並列計算効率

FPGA は並列コンピューティングに属し、複数の命令アルゴリズムを一度に実行できます。従来の ASIC、DSP、CPU はすべてシリアル コンピューティングであり、一度に 1 つの命令セットしか処理できません。したがって、一部の特殊なタスクでは、FPGA の並列計算効率がシリアル計算効率よりも高くなります。

CPU、GPU、ASIC、FPGA の 4 種類のコンピューター プロセッサーがあり、プロセッサーごとに独自の利点があります。

FPGA と主流チップの比較

CPU には論理演算ユニット (ALU) が少なく、コントローラー (制御) が大きくなります。GPU には、より小型でより多くの論理演算ユニット (ALU) があり、コントローラーの機能は単純で、キャッシュの数は少なくなります。アーキテクチャの違いにより、CPU はロジック制御とシリアル計算を得意とし、GPU は高強度の並列計算を得意とします。 GPU の単一のコンピューティング ユニットの処理能力は CPU の ALU よりも劣りますが、大量のコンピューティング ユニットが同時に動作することができ、高強度の並列コンピューティングに直面した場合、そのパフォーマンスは CPU の ALU よりも優れています。 CPUのこと。現在では、画像処理に加えて、他の計算でも GPU が使用されることが増えています。

CPUはむしろ多機能を備えた優秀なリーダーのようなものと言えるでしょう。その利点は、強力なスケジューリング、管理、調整機能と、それに続くコンピューティング能力にあります。 GPU は、CPU スケジューリングを受け入れる「豊富な計算能力を持つ」従業員に相当します。

ASIC は Application Specific Integrated Circuit の略で、特定のユーザー要件や特定の電子システムのニーズに応じて設計および製造される集積回路を指します。 ASIC の特徴は、特定のユーザーのニーズを重視していることです。汎用集積回路と比較して、サイズの小型化、消費電力の低減、信頼性の向上、パフォーマンスの向上、機密性の向上、大量生産時のコストの削減などの利点があります。生産。

ASIC に基づく人工知能チップの開発は回路設計に似ており、繰り返しの最適化と長いテープアウト サイクルが必要なため、開発サイクルが長くなります。

量産後は、ASIC 人工知能チップのコストと価格が下がります。 FPGAと比較すると、ASIC人工知能チップはより長い開発サイクルを経る必要があり、高価なテープアウト投資が必要ですが、これらの初期開発投資は量産後に薄められるため、量産後のASIC人工知能チップのコストと価格はFPGA人工知能チップよりも低くなります。

FPGA の独自のアーキテクチャの利点を活用して、プログラム可能な特性により、他のプロセッサよりも計算能力、コスト、消費電力の間でより良いバランスを実現できます。

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FPGAは爆発寸前

FPGA は、プログラマビリティの柔軟性が高く、開発サイクルが短く、並列コンピューティングの効率が高いため、幅広いアプリケーション シナリオがあります。

現在、通信は FPGA の最大のアプリケーション市場です。通信分野におけるFPGAのアプリケーションには、ネットワークスイッチング、通信プロトコル変換、フロー制御などが含まれます。効率的なデータ処理と大規模な無線周波数中継を実現するために使用できます。たとえば、5G通信技術では、FPGA は基地局の信号処理とデータ処理に使用され、通信システムのパフォーマンスと安定性が向上します。

産業分野は、FPGA チップの主要なアプリケーション市場の 1 つです。 FPGAは主に産業分野で、ビデオ処理、画像処理、CNC工作機械などの分野で信号制御や演算加速機能を実現するために使用されています。たとえば、自動化された生産ラインでは、ロボット アームの動作を制御し、さまざまな機器の動作を調整するために FPGA が使用されます。

データセンターは、FPGA チップの新興アプリケーション市場の 1 つです。データセンターのコンピューティングおよび処理の分野では、FPGA チップは主にハードウェア アクセラレーションに使用されます。 CPU と比較して、FPGA チップは、命令不要の共有メモリ アーキテクチャにより、強力なコンピューティング能力と十分な柔軟性を同時に提供できます。 ASIC を使用すると、FPGA チップは柔軟性や開発時間などの点で優れたバランスを実現できます。

電気自動車の台頭により、FPGA は自動車での使用が増加しています。自動車エレクトロニクス業界における FPGA の需要は、主に ADAS (インテリジェント センシング システム) と AV (自動運転車) から来ています。例: FPGA チップは、電気自動車モーター制御システムの制御と駆動に使用でき、駆動システム、ダッシュボード、レーダー、超音波センサー、その他の車載機器を接続して、レーザー レーダーやミリ波レーダーなどの信号処理と制御を実装できます。ビデオ ブリッジングおよびフュージョンの分野では、FPGA チップを使用して、複数のイメージ センサーの信号ブリッジング、3D サラウンド ビュー ビデオ フュージョン、後退支援ビデオ、運転支援ビデオ、その他の機能を実装できます。運転支援や自動運転の分野では、FPGAチップを使用してマシンビジョンやターゲット検出などのさまざまな機能を実装できます。

人工知能の時代に, AI アルゴリズムは常に革新しており、ハードウェアのコンピューティング能力と柔軟性に対して高い要件が求められます。FPGAの柔軟性がAIの特性にジャストフィット 。 FPGA は主に行列乗算アルゴリズムのアクセラレータとして使用され、ニューラルネットワークアクセルアクチュエーター。低遅延コンピューティングと高性能コンピューティングを実現し、人工知能の開発に強力なハードウェア サポートを提供します。たとえば、ディープラーニングの分野では、FPGA を使用してニューラル ネットワークの推論とトレーニングのプロセスを加速し、人工知能システムの処理速度とエネルギー効率を向上させます。さらに、ヘテロジニアス コンピューティング フュージョンなどの形式がますます普及するにつれて、FPGA + CPU などのアーキテクチャも AI にさらなる潜在的な利点をもたらします。

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国際的な FPGA コンペティションの状況

世界のFPGA市場は主にXilinx（AMDが買収）とIntelという海外2社の独占によって支配されており、2019年には2社合わせて世界市場シェアの85％以上を占めた。高い技術的障壁と急速なアップグレードにより、世界の FPGA 市場は非常に集中しており、国内メーカーの割合は低いです。

AMD製品は7nmの複雑な不均一性に入った

AMD (ザイリンクス) FPGA 関連製品マトリックスには、主に 4 つの主要な FPGA 製品シリーズ (VIRTEX、KINTEX、ARTIX、SPARTAN) と、さらに 2 つの高度に統合された Adaptive SoC (AdaptiveSoC) シリーズ (ZYNQ、VERSAL) が含まれています。

AMD (Xilinx) FPGA ハイ/ミッド/ローエンド製品シリーズ比較

チップの製造プロセスから見ると、主に UltraScale+ (16nm)、UltraScale (20nm)、7 シリーズ (28nm)、および 6 シリーズ (45nm) の 4 つのカテゴリが含まれており、7nm プロセスへの全体的なアップグレードです。

チップアーキテクチャの観点から見ると, FPGAシングルチップは、より高度なプロセス、より高速な回路構造、複雑なヘテロジニアスSoCシステムに向けて開発されており、PCIe、イーサネット通信プロトコル、AIエンジン、NoCアーキテクチャなどを統合しています。

製品価格の観点から見ると製品の位置付けがローエンドからハイエンドに移行するにつれて、FPGA 容量などの指標は向上し続け、通信アーキテクチャは徐々にアップグレードされ、対応する開発ボードの価格は数百ドルから 10,000 以上に徐々に上昇します。ドル。

応用分野から見ると, データセンターなどのハイエンド アプリケーションに適した FPGA チップは、ほとんどがハイエンド FPGA 製品ラインであり、データ センターのネットワーク アクセラレーションのニーズを満たすことができるミッドエンドからハイエンドの FPGA は少数です。

インテル：ハイエンド製品は大量に出荷されており、低消費電力シリーズも間もなく発売される予定

今年 3 月、Intel はプログラマブル ソリューション グループ (PSG) を独立した事業とし、Altera ブランド イメージの下で再提示しました。新設されたアルテラは、高性能FPGA市場に注力することで市場での地位の強化と拡大を目指すとともに、ミッドエンドからローエンドFPGA市場へも積極的に開拓し、より幅広い顧客基盤を獲得し、開発を拡大することを目的とした新たな開発戦略を策定した。空間。

Agilex FPGAとSoC FPGAこのファミリはインテルの 10nm プロセス ノード上に構築されており、パフォーマンスが向上し、消費電力が削減されます。

Agilex9 FPGAとSoC FPGAターゲット アプリケーションに前例のない機能と最適化を提供し、主流のプログラマブル ロジックの限界を超えます。現在、大規模な生産が達成されています。業界をリードするデータ コンバータを備えたこの製品は、高帯域幅の混合信号 FPGA の処理を​​必要とするアプリケーションに特に適しています。

Agilex7 FPGAとSoC FPGAこれは、業界をリードするアーキテクチャと I/O 速度を提供する高性能 FPGA であり、帯域幅を最も集中的に使用し、計算を集中的に使用するアプリケーションに最適です。 Intel Agilex 7 のロジック構造のパフォーマンスと消費電力比は、競合他社の 7nm ノード FPGA の約 2 倍です。

アジレックス 7このデバイスは、高度な 10nm SuperFin テクノロジー (F シリーズおよび I シリーズ)、Intel 7 テクノロジー (M シリーズ)、および第 2 世代 Intel Hyperflex FPGA アーキテクチャを使用しています。この製品の応用分野には、データセンター、ネットワーキング、防衛、産業が含まれます。

アジレックス5これは、高性能、低消費電力、小型サイズを必要とするアプリケーションに最適化されたミッドレンジ FPGA です。この製品は現在一般入手可能です。

Intel Agilex 5 は、LPDDR4、LPDDR5 (+DDR4、DDR5) をサポートする最初の FPGA、AI テンソル ブロックを搭載した最初の製品であり、初の非対称マルチコア アプリケーション プロセッサ システム (2xArm A76、2xArm A55) を備えており、これによりパフォーマンスを向上させることができます。エッジ AI 推論機能のパフォーマンス。 E シリーズは、16nm の競合製品と比較して、性能/消費電力が 1.6 倍向上しており、D シリーズは、7nm の競合製品と比較して、性能/消費電力が最適化されています。消費率が2倍になりました。

アジレックス3近日中に、より小型のフォームファクターと電力とコストの最適化を特徴とする製品ファミリーが登場します。この製品は、クラウド コンピューティング、通信、インテリジェント エッジ アプリケーションにおける複雑さの低い機能向けの主要な低消費電力 FPGA ファミリを提供するように設計されています。

要約すると、アルテラの製品ラインはますます完成してきており、その中には、Agilex 9 が大規模生産段階にあり、Agilex 7 の F シリーズおよび I シリーズ機器が生産開始され、Agilex 5 が完全に発売され、次期 Agilex 3 は、クラウド コンピューティング、通信、およびインテリジェント エッジ アプリケーションの要件を満たしており、複雑さの少ない、低消費電力の FPGA を必要とします。

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国産品争奪戦が激化

現時点では、国内FPGAメーカーと海外リーダーとの間には客観的に差があり、追いつく余地は十分にある。

国内メーカーと海外メーカーの差

まずは国内メーカーと海外メーカーの現状の差を見てみましょう。

FPGAの能力の観点から見ると、現在の国内の民間用FPGAの最高レベルは約40万ロジックユニットに達し、現在の世界最大のFPGA容量はAMDが2023年6月27日に発売したVP1902（Versal Premium）で、ロジックユニット数は18,507千にも及びます。これは中国の46倍です。

製造プロセスの観点から見ると、現在国内で最も進んでいるプロセスは14/16nmであり、ザイリンクスは2018年に7nmヘテロジニアスFPGA製品Versalをリリースした。

収入の面から見ると , 中国の主要FPGA企業には、Unisoc、Anlu Technology、Fudan Microelectronics、Gowin Semiconductor、Guowin Microelectronics、Yilingsi、Xi'an Zhiduojing、Jingwei Qiliなどがあります。世界のFPGA市場の重要な部分として、中国は2022年には市場の約3分の1を占めると予想されます。しかし、サプライチェーン側で見ると、国内のFPGAチップの世界市場シェアは10%未満です。

下流アプリケーションの観点から、現在、国内の FPGA は、プロトタイプ検証とデータセンター アクセラレーション コンピューティングという 2 つの最もハイエンド FPGA 分野に参入できていません。

売上総利益率の観点から見ると現在、国内の FPGA は家電分野で中・低容量の置き換えに注力しており、大容量 FPGA 市場に比べて参入障壁が比較的低く、ある程度の「参入」が進んでいます。この期間における典型的な粗利益率は 35% ～ 40% であり、AMD はハイエンド FPGA 市場において卓越した競争優位性を有しており、過去 10 年間、基本的に 65% 以上を維持しており、ほぼ 65% に近づいています。過去3年間で70％。

国内メーカーの技術進歩は早い

中国の FPGA 産業は遅れてスタートしましたが、近年急速に発展しています。

地元の FPGA 企業は、市場に牽引され、国の政策に支えられ、懸命に努力を続け、技術と市場の両方で大きな成果を上げてきました。

現在、中国メーカーの低容量 FPGA 技術は比較的成熟した発展を遂げています。低容量 FPGA は 100k 未満のロジック ユニットを備え、非常に低コストと低消費電力を必要とし、主に 55nm、40nm、28nm の 3 つのノードに集中しています。

ほとんどの国内メーカーはこのような製品を 2019 年以前に発売しており、多くは地元の FPGA メーカーの第 1 世代製品です。たとえば、Unisoc の Logos シリーズは 2017 年に発売され、12 ～ 102k のロジック ユニットを備えた 40nm の低電力、低コスト FPGA です。Anlu Technology の 55nm Eagle4 は 20k のロジック ユニットを備え、2016 年に発売され、主にサーボの分野で使用されています。制御および高速画像インターフェイス変換; GOWIN Semiconductor の 55nm FPGA LittleBee は 2016 年に発売されました。これは同社の第 1 世代の製品であり、ロジック ユニットの数は 1 ～ 8k です。

28nm の中低容量市場では、中国の FPGA メーカーはすでに成熟した製品を持っています。中容量 FPGA は、主に 100k ～ 500k のロジック ユニットを備えた FPGA を指します。主なアプリケーションは、無線通信、産業、自動車、および A&D 分野のエア インターフェイス側に集中しています。中容量市場は最高のパフォーマンスを追求しません。パフォーマンスと消費電力は同様に重要であり、コストにも影響を与える特定の要件があります。たとえば、Unisoc、Anlu Technology、Zhiduoji はいずれも 2020 年に 28nm FPGA 製品を発売し、主にザイリンクスの 7 シリーズ製品をベンチマークしました。

さらに、一部のメーカーは、一部の 28nm 低および中容量 FPGA を置き換えるために 22nm FPGA を発売しています。たとえば、Gowin が 2022 年 9 月に発売した Aurora V は、ロジック ユニット数が 138k の 22nm FPGA 製品です。

500Kを超える大容量FPGAを国産のものに置き換えることは現時点では困難です。地元企業は、ハードウェア アーキテクチャ、EDA ソフトウェア、IP パフォーマンスなどの観点から徹底的に開発する必要があります。その中で最も重要なことは、大規模FPGAにおけるEDAソフトウェアのレイアウトと配線の問題を解決することです。

国内FPGAの収益が大幅に増加

国内FPGAメーカーの売上高を見てみましょう。

Anlu Technologyは国内FPGA分野のリーディングカンパニーであり、2018年と2019年のAnlu Technologyの営業利益はそれぞれ285億2030万元と1億2200万元にすぎなかった。その後、2021年と2022年には業績が倍増しました。

公開データによると、2020年のAnlu TechnologyのFPGA事業収益は2億8000万元で、その後も増加し続けた。 2021年までに同社のFPGA事業収益は6億4,200万元に増加し、前年比で2倍以上に増加する見通しだ。 2022 年までにこの数字は 9 億 8,900 万元に増加し、市場の強い成長の勢いを示しています。

Anlu Technology の売上総利益率も好調でした。 2020年から2022年にかけて、同社の粗利益率はそれぞれ34.05%、34.18%、39.13%となり、着実な上昇傾向を示しています。特にFPGA事業分野では、2022年の売上総利益率は39.13％に達するとみられる。

Fudan Micro は国内の老舗 IC 設計会社として、FPGA 分野でも実績を上げています。近年、同社のFPGA事業の収益は成長を続けている。 2020 年の Fudan Micro の FPGA ビジネス収益は 2 億 400 万元でしたが、2021 年には 4 億 2,700 万元に増加し、2022 年には 7 億 8,100 万元に達し、FPGA 市場における同社の強力な競争力を示しています。

Fudan Micro の粗利益率も比較的高い水準にあります。 2020年から2022年にかけて、同社のFPGA事業の粗利益率はそれぞれ82.56%、84.71%、84.7%となり、高い安定性と収益性を維持した。これは主に、同社の強力な技術力と完全な製品ラインのレイアウトによるものです。

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国内FPGAメーカーには多くのチャンスがある

現在、FPGA のローカライゼーションには 2 つの有利な条件があります。第 1 に、FPGA のローカライゼーションに対する国の強力な支援を反映して、国内の FPGA メーカーは近年、比較的多額の政府補助金を受けています。第二に、28nmのライフサイクルは前世代よりも長く、国内メーカーが追いつく余地が十分にあります。

開示されたデータから判断すると、2018年から2022年までの5年間、国内FPGAメーカーは毎年数千万、場合によっては数億の政府補助金を受け取っていた。 2022年、Anlu Technology、Fudan Micro、Ziguang Guoweiの経常損益に含まれる政府補助金の額は、それぞれ3,000万元以上、6,000万元以上、1億7,000万元となる。 CPUを主力製品とする龍孫中科は2022年に1億9000万元、CPUとDCUを主力製品とする海光信息は6000万元以上、京家偉は3000万元以上の政府補助金を受け取る予定だ。 WSTSのデータによると、マイクロプロセッサの市場規模は2022年に508億米ドルとなり、これはFPGA市場の6倍となる。他のカテゴリーのデジタルチップ企業と比較して、FPGA企業が受け取る政府補助金の額は依然として相対的に大きく、FPGAを支援する国の強い意欲を反映している。

さらに、典型的なデジタル チップとして、FPGA のライフ サイクルは一般的にわずか 10 ～ 15 年です (一方、アナログ チップは 20 年を超える場合もあります)。収益のピークは 4 ～ 5 年後に見られることがよくあります。急速な反復の特徴により、最初の 6 年間で収益の % が発生し、その後、市場では量と価格の両方が下落しました。したがって、プロセス後進メーカーは次世代製品の開発をサポートするのに十分な収益を得ることができないことが多いため、市場関係者はプロセスのリーダーシップをめぐって競争するよう努める必要があります。 28nmのライフサイクルは前世代よりも長く、国内メーカーが追いつく余地が十分にあります。

今後もFPGAチップ市場は急速な成長を続けると予想されます。 5G、モノのインターネット、人工知能、その他のテクノロジーの継続的な発展により、FPGAチップはより多くの分野で重要な役割を果たすことになります。同時に、国内の FPGA チップ技術が継続的に進歩し、市場シェアが徐々に拡大することにより、国内の FPGA チップ市場もより広範な開発スペースを迎えることになります。

フロスト＆サリバン社の予測によると、世界のFPGA市場規模は2025年に125億米ドルを超えると予想され、国内市場規模は2022年の208億8000万元から2025年には332億2000万元に増加し、3年間のCAGRは約100億円に達すると予想されています。 17%。

一般に、FPGA チップ市場は機会と課題に満ちた市場です。技術の継続的な進歩と応用分野の継続的な拡大により、FPGAチップはより多くの分野で重要な役割を果たし、関連産業の急速な発展を促進します。