С быстрым развитием технологии искусственного интеллекта (ИИ) границы ее применения продолжают расширяться: от простого распознавания изображений до сложной обработки естественного языка,Автопилот, интеллектуальное производство и другие передовые области, ИИ меняет наш мир с беспрецедентной скоростью.

В этой революции искусственного интеллекта глубокое обучение, как ее основная движущая сила, продолжает способствовать инновациям алгоритмов и моделей, а также выдвигает более строгие требования к вычислительным ресурсам.

Хотя FPGA, появившаяся на свет в 1985 году, уже давно не существует, она уже завоевала место в волне чипов с уникальным преимуществом «программируемости» и стала еще одним сильным конкурентом чипов GPU.

01

Особенности ПЛИС

Чипы FPGA разрабатываются на основе программируемых устройств (PAL, GAL, CPLD) и представляют собой полузаказные и программируемые интегральные схемы. FPGA имеет три основные характеристики:

Высокая программируемость и гибкость

Будь то процессор, графический процессор, DSP, память или различные микросхемы ASIC, после изготовления чипа его функция фиксируется, и пользователи не могут вносить какие-либо изменения в его аппаратные функции. После изготовления чипа FPGA его функции не фиксируются. Пользователи могут использовать специальное программное обеспечение EDA, предоставленное компанией-производителем чипов FPGA, для функциональной настройки схемы, которую они разработали, в соответствии со своими фактическими потребностями, тем самым преобразуя пустой чип FPGA в чип FPGA. Интегральная микросхема со специфическими функциями.

Каждая микросхема FPGA может быть сконфигурирована с несколькими различными функциями для достижения различных функций и отличается высокой гибкостью.

Короткий цикл разработки

Например, в логических микросхемах процесс производства ASIC включает в себя несколько этапов, таких как реализация логики, обработка проводки и вывод на пленку, в то время как FPGA не требует подключения, маскировки и индивидуального вывода на пленку, что значительно упрощает разработку чипа; Цикл разработки общих логических микросхем, таких как ASIC, DSP, SOC и т. д., занимает 14–24 месяца или даже дольше, тогда как FPGA занимает всего 6–12 месяцев, что на 55 % меньше времени, чем циклы разработки других микросхем.

Точно так же, как Xilinx, крупнейший в мире производитель FPGA, считает, что быть быстрее, чем быть дешевле, если продукт будет запущен на шесть месяцев позже, его прибыль снизится на 33% за пять лет. Четыре недели каждую ночь эквивалентны. потеря 14% доли рынка.

Высокая эффективность параллельных вычислений

FPGA относится к параллельным вычислениям, то есть может одновременно выполнять несколько алгоритмов инструкций. Традиционные ASIC, DSP и CPU представляют собой последовательные вычисления и могут обрабатывать только один набор команд за раз. Поэтому в некоторых специальных задачах эффективность параллельных вычислений FPGA выше, чем эффективность последовательных вычислений.

ЦП, графический процессор, ASIC и FPGA — это четыре типа компьютерных процессоров, и разные процессоры имеют уникальные преимущества.

Сравнение FPGA и основных чипов

ЦП имеет меньше логических операционных блоков (АЛУ) и более крупный контроллер (управление); графический процессор имеет меньшие и более логические операционные блоки (АЛУ), контроллер имеет простые функции и меньше кэшей. Разница в архитектуре позволяет ЦП хорошо справляться с логическим управлением и последовательными вычислениями, а графический процессор — с высокоинтенсивными параллельными вычислениями. Вычислительная мощность одного вычислительного блока графического процессора слабее, чем у АЛУ ЦП, но одновременно может работать большое количество вычислительных блоков. При выполнении параллельных вычислений высокой интенсивности его производительность лучше, чем у АЛУ ЦП. что у процессора. Сегодня, помимо обработки изображений, графические процессоры все чаще используются и в других вычислениях.

Можно сказать, что ЦП больше похож на отличного лидера с множеством функций. Его преимущество заключается в мощных возможностях планирования, управления и координации, а также в вычислительной мощности. Графический процессор эквивалентен сотруднику «с большой вычислительной мощностью», который принимает планирование ЦП.

ASIC означает «Интегральная схема специального назначения», что означает интегральную схему, разработанную и изготовленную в соответствии с конкретными требованиями пользователя и потребностями конкретных электронных систем. Особенностью ASIC является то, что он ориентирован на потребности конкретных пользователей. По сравнению с интегральными схемами общего назначения ASIC имеет преимущества меньшего размера, меньшего энергопотребления, повышенной надежности, улучшенной производительности, повышенной конфиденциальности и снижения стоимости при массовом использовании. производство.

Разработка чипов искусственного интеллекта на основе ASIC больше похожа на проектирование схем, которое требует повторной оптимизации и длительного цикла разработки, поэтому цикл разработки длительный.

После массового производства стоимость и цена чипов искусственного интеллекта ASIC будут ниже. Хотя по сравнению с FPGA, чипы искусственного интеллекта ASIC должны пройти более длительный цикл разработки и требуют дорогостоящих вложений в разработку, эти ранние инвестиции в разработку будут разбавлены после массового производства, поэтому после массового производства чип искусственного интеллекта ASIC. Стоимость и цена будет ниже, чем у чипов искусственного интеллекта FPGA.

Благодаря своей уникальной архитектуре программируемые атрибуты FPGA позволяют ей достичь лучшего баланса между вычислительной мощностью, стоимостью и энергопотреблением, чем у других процессоров.

02

FPGA вот-вот взорвется

FPGA имеет широкий спектр сценариев применения благодаря высокой гибкости программирования, короткому циклу разработки и высокой эффективности параллельных вычислений.

Коммуникации в настоящее время являются крупнейшим рынком приложений для FPGA. Приложения FPGA в области связи включают коммутацию сетей, преобразование протоколов связи, управление потоками и т. д. Его можно использовать для достижения эффективной обработки данных и крупномасштабной радиочастотной ретрансляции.Например, в5GВ коммуникационных технологиях FPGA используется для обработки сигналов и данных базовых станций, повышая производительность и стабильность системы связи.

Промышленная сфера является одним из основных рынков применения микросхем FPGA. FPGA в основном используется в промышленной сфере для реализации функций управления сигналами и ускорения вычислений при обработке видео, обработке изображений, станках с ЧПУ и других областях. Например, в автоматизированных производственных линиях ПЛИС используются для управления движением роботизированных манипуляторов и координации работы различного оборудования.

Центры обработки данных — один из развивающихся рынков приложений для микросхем FPGA. В области вычислений и обработки данных в центрах обработки данных чипы FPGA в основном используются для аппаратного ускорения. По сравнению с процессорами, чипы FPGA могут обеспечить одновременно мощную вычислительную мощность и достаточную гибкость благодаря своей архитектуре без инструкций и общей памяти. По сравнению с графическими процессорами чипы FPGA обладают преимуществами низкой задержки и высокой пропускной способности в центрах обработки данных; С помощью ASIC чипы FPGA могут достичь превосходного баланса гибкости, времени разработки и т. д.

С появлением электромобилей,FPGA все чаще используются в автомобилях. Спрос на FPGA в индустрии автомобильной электроники в основном исходит от ADAS (интеллектуальных сенсорных систем) и AV (автономных транспортных средств). Например: чипы FPGA могут использоваться для управления и управления системами управления двигателями электромобилей, подключения систем вождения, приборных панелей, радаров, ультразвуковых датчиков и другого бортового оборудования для реализации обработки сигналов и управления, такого как лазерный радар и радар миллиметрового диапазона. В области соединения и слияния видео чипы FPGA могут использоваться для реализации мостового соединения сигналов нескольких датчиков изображения, слияния трехмерного видео с объемным обзором, вспомогательного видео при движении задним ходом, вспомогательного видео при вождении и других функций. В области вспомогательного и автономного вождения чипы FPGA могут использоваться для реализации различных функций, таких как машинное зрение и обнаружение целей.

В эпоху искусственного интеллектаАлгоритмы искусственного интеллекта постоянно совершенствуются и предъявляют высокие требования к вычислительной мощности и гибкости аппаратного обеспечения.Гибкость FPGA как раз соответствует характеристикам искусственного интеллекта . FPGA в основном используются в качестве ускорителей алгоритмов умножения матриц иНейронные сети Актуатор акселератора. Он может выполнять вычисления с малой задержкой и высокопроизводительные вычисления, обеспечивая мощную аппаратную поддержку для развития искусственного интеллекта. Например, в области глубокого обучения FPGA используется для ускорения процесса вывода и обучения нейронных сетей, повышения скорости обработки и энергоэффективности систем искусственного интеллекта. Кроме того, поскольку такие формы, как объединение гетерогенных вычислений, становятся все более популярными, такие архитектуры, как FPGA + CPU, также приносят больше потенциальных преимуществ для ИИ.

03

Международная конкурентная среда FPGA

На мировом рынке FPGA в основном доминирует дуополия двух зарубежных компаний: Xilinx (приобретенной AMD) и Intel. В 2019 году на эти две компании вместе приходилось более 85% доли мирового рынка. Из-за высоких технических барьеров и быстрой модернизации мировой рынок FPGA имеет высокую концентрацию, при этом доля отечественных производителей составляет незначительную.

Продукты AMD вступили в 7-нм сложную гетерогенность

Матрица продуктов, связанных с FPGA AMD (Xilinx), в основном включает в себя: четыре основные серии продуктов FPGA (VIRTEX, KINTEX, ARTIX, SPARTAN) и еще две серии адаптивных SoC (AdaptiveSoC) с высокой степенью интеграции (ZYNQ, VERSAL).

Сравнение серий продуктов AMD (Xilinx) FPGA высокого/среднего/низкого уровня

С точки зрения процесса производства чипов, в основном включающий четыре категории: UltraScale+ (16 нм), UltraScale (20 нм), 7-ю серию (28 нм) и 6-ю серию (45 нм). VERSAL представляет собой полное обновление 7-нм процесса.

С точки зрения архитектуры чипаОтдельные чипы FPGA развиваются в сторону более совершенных процессов, более высокоскоростных схемных структур и сложных гетерогенных систем SoC. Продукты серии AMD VERSAL объединяют протоколы связи PCIe, Ethernet, механизмы искусственного интеллекта, архитектуру NoC и т. д.

С точки зрения цены продуктаПо мере того как позиционирование продукта переходит от нижнего уровня к высокому, такие показатели, как емкость FPGA, продолжают улучшаться, архитектура связи постепенно модернизируется, а цена соответствующей платы для разработки постепенно увеличивается с нескольких сотен долларов до более чем 10 000 долларов. долларов.

С точки зрения областей примененияЧипы FPGA, подходящие для высокопроизводительных приложений, таких как центры обработки данных, в основном представляют собой линейку продуктов FPGA высокого класса, и лишь небольшое количество FPGA среднего и высокого класса также могут удовлетворить потребности центров обработки данных в ускорении сети.

Intel: продукты высокого класса поставляются в больших количествах, скоро будут запущены серии с низким энергопотреблением

В марте этого года Intel выделила свою группу программируемых решений (PSG) в независимое предприятие и повторно представила ее под брендом Altera. Недавно созданная компания Altera сформулировала новую стратегию развития, направленную на консолидацию и расширение своей позиции на рынке, сосредоточив внимание на рынке высокопроизводительных FPGA, одновременно активно изучая рынок FPGA среднего и низкого уровня для привлечения более широкой клиентской базы и расширения разработки. космос.

Agilex FPGA и SoC FPGAСемейство построено на 10-нм технологическом узле Intel, который повышает производительность и снижает энергопотребление.

Agilex9 FPGA и SoC FPGA Обеспечивает беспрецедентные возможности и оптимизацию для целевых приложений, выходя за пределы общепринятой программируемой логики. В настоящее время достигнуто крупномасштабное производство. Благодаря лучшим в отрасли преобразователям данных этот продукт особенно подходит для приложений, требующих обработки FPGA со смешанными сигналами с высокой пропускной способностью.

Agilex7 FPGA и SoC FPGA Это высокопроизводительная FPGA, которая обеспечивает лучшую в отрасли архитектуру и скорость ввода-вывода, что делает ее идеальной для приложений, требующих максимальной пропускной способности и ресурсоемких вычислений. Соотношение производительности логической структуры и энергопотребления Intel Agilex 7 примерно в 2 раза выше, чем у 7-нм узловых FPGA конкурентов.

Аджилекс 7 В устройстве используется передовая 10-нм технология SuperFin (серии F и I), технология Intel 7 (серия M) и архитектура Intel Hyperflex FPGA второго поколения. Области применения этого продукта включают центры обработки данных, сетевое оборудование, оборону и промышленность.

Аджилекс 5 Это FPGA среднего класса, оптимизированная для приложений, требующих высокой производительности, низкого энергопотребления и небольшого размера. Теперь продукт общедоступен.

Intel Agilex 5 — первая FPGA, поддерживающая LPDDR4, LPDDR5 (+DDR4, DDR5), первый продукт, оснащенный тензорными блоками искусственного интеллекта, и первая асимметричная многоядерная система процессора приложений (2xArm A76, 2xArm A55), которая может улучшить производительность возможностей рассуждения Edge AI. Серия E оптимизирована по энергопотреблению и размеру. По сравнению с конкурирующими продуктами, изготовленными по 16-нм техпроцессу, соотношение производительность/энергопотребление увеличено в 1,6 раза. Коэффициент потребления увеличился в 2 раза.

Аджилекс 3 В ближайшее время это семейство продуктов будет иметь меньший форм-фактор, а также оптимизацию энергопотребления и затрат. Этот продукт разработан как ведущее семейство FPGA с низким энергопотреблением для несложных функций в облачных вычислениях, коммуникациях и интеллектуальных периферийных приложениях.

Подводя итог, можно сказать, что линейка продуктов Altera становится все более полной, среди которых Agilex 9 находится на стадии крупномасштабного производства, оборудование серий F и I серии Agilex 7 запущено в производство, Agilex 5 полностью запущен в производство, а предстоящий Agilex 3 будет соответствовать требованиям облачных вычислений, связи и интеллектуальных периферийных приложений, требующих FPGA низкой сложности и малой мощности.

04

Борьба за отечественную продукцию становится все более ожесточенной

В настоящее время разрыв между местными производителями FPGA и зарубежными лидерами существует объективно и есть достаточный потенциал для того, чтобы его наверстать.

Разрыв между отечественными и зарубежными производителями

Во-первых, давайте посмотрим на текущий разрыв между отечественными производителями и международными производителями.

С точки зрения возможностей FPGA, текущий самый высокий уровень отечественных гражданских FPGA может достигать около 400 тысяч логических блоков, а самая большая в мире емкость FPGA на данный момент - VP1902 (Versal Premium), выпущенная AMD 27 июня 2023 года, с количеством логических блоков, достигающим 18 507 тысяч, что в 46 раз больше, чем в Китае.

С точки зрения производственного процессаВ настоящее время самым передовым отечественным процессом является 14/16 нм, а в 2018 году компания Xilinx выпустила 7-нм гетерогенный продукт FPGA Versal.

С точки зрения дохода Крупнейшие китайские компании по производству ПЛИС включают Unisoc, Anlu Technology, Fudan Microelectronics, Gowin Semiconductor, Guowin Microelectronics, Yilingsi, Xi'an Zhiduojing, Jingwei Qili и т. д. Будучи важной частью мирового рынка FPGA, в 2022 году на долю Китая будет приходиться около 1/3 рынка. Однако в цепочке поставок доля отечественных чипов FPGA на мировом рынке составляет менее 10%.

С точки зрения последующих приложенийВ настоящее время ни одна отечественная FPGA не может войти в две наиболее высокотехнологичные области FPGA — проверку прототипов и ускоренные вычисления в центрах обработки данных.

С точки зрения валовой прибылиВ настоящее время отечественные FPGA ориентированы на замену устройств средней и малой емкости в сфере бытовой электроники. По сравнению с рынком FPGA большой емкости барьеры входа относительно низки, и наблюдается определенная степень «инволюции». типичная валовая прибыль составляет от 35% до 40%. В течение этого периода AMD имела выдающиеся конкурентные преимущества на рынке высокопроизводительных FPGA. Ее валовая прибыль в основном оставалась выше 65% в течение последних 10 лет и близка к этому значению. 70% за последние три года.

Отечественные производители добиваются стремительного технического прогресса

Хотя индустрия FPGA в Китае началась поздно, в последние годы она быстро развивалась.

Движимые рынком и поддерживаемые национальной политикой, местные компании по производству FPGA продолжают усердно работать и добились значительных результатов как в технологиях, так и на рынке.

В настоящее время технология FPGA малой емкости китайских производителей развита относительно зрело.FPGA малой емкости имеет менее 100 тыс. логических блоков и требует чрезвычайно низкой стоимости и низкого энергопотребления. В основном они сосредоточены в трех узлах: 55, 40 и 28 нм.

Большинство отечественных производителей выпустили такие продукты в 2019 году или раньше, и зачастую это продукты первого поколения местных производителей FPGA. Например, серия Unisoc Logos была запущена в 2017 году и представляет собой 40-нм маломощную и недорогую FPGA с логическими блоками от 12 до 102 тыс. 55-нм Eagle4 от Anlu Technology была выпущена в 2016 году с логическими блоками 20 тыс., В основном используется в области сервоприводов; управление и высокоскоростное преобразование интерфейса изображения; 55-нм FPGA LittleBee от GOWIN Semiconductor, выпущенная в 2016 году. Это продукт компании первого поколения с количеством логических блоков от 1 до 8 тыс.

На рынке 28-нм устройств малой и средней емкости китайские производители FPGA уже имеют зрелые продукты. FPGA средней емкости в основном относится к FPGA с логическими блоками 100–500 тыс. Основные приложения сосредоточены в области беспроводных интерфейсов, промышленности, автомобилей и исследований и разработок. Рынок средней емкости не гонится за максимальной производительностью. Производительность и энергопотребление одинаково важны, но и стоимость также имеет определенные требования. Например, Unisoc, Anlu Technology и Zhiduoji выпустили 28-нм продукты FPGA в 2020 году, в основном сравнивая продукты Xilinx 7-й серии.

Кроме того, некоторые производители выпустили 22-нм FPGA для замены некоторых 28-нм FPGA малой и средней емкости. Например, Aurora V, выпущенная Gowin в сентябре 2022 года, представляет собой 22-нм продукт FPGA с количеством логических блоков 138 КБ.

ПЛИС большой емкости выше 500К в настоящее время трудно заменить отечественными. Местным компаниям необходимо провести глубокую разработку с точки зрения аппаратной архитектуры, программного обеспечения EDA, производительности IP и т. д. Среди них наиболее важным является решение проблемы компоновки и маршрутизации программного обеспечения EDA в крупномасштабной FPGA.

Внутренние доходы от FPGA значительно увеличиваются

Посмотрим на выручку отечественных производителей ПЛИС.

Anlu Technology является ведущей компанией в отечественной области FPGA. В 2018 и 2019 годах операционная прибыль Anlu Technology составила всего 28,5203 миллиона юаней и 122 миллиона юаней соответственно. Позже его производительность удвоилась в 2021 и 2022 годах.

Согласно общедоступным данным, доход Anlu Technology от бизнеса по производству FPGA в 2020 году составил 280 миллионов юаней и продолжал расти в последующие годы. К 2021 году выручка от продаж FPGA увеличится до 642 миллионов юаней, что более чем вдвое больше, чем в прошлом году. К 2022 году эта цифра увеличится до 989 миллионов юаней, что свидетельствует о сильной динамике роста рынка.

Валовая прибыль Anlu Technology также показала хорошие результаты. С 2020 по 2022 год ее валовая прибыль составит 34,05%, 34,18% и 39,13% соответственно, демонстрируя устойчивую тенденцию к росту. Валовая прибыль компании в 2022 году достигнет 39,13%, особенно в сфере бизнеса FPGA.

Будучи хорошо зарекомендовавшей себя отечественной компанией по разработке микросхем, Fudan Micro также хорошо зарекомендовала себя в области FPGA. В последние годы доходы от бизнеса по производству FPGA продолжали расти. В 2020 году выручка Fudan Micro от FPGA составила 204 миллиона юаней; к 2021 году эта цифра увеличилась до 427 миллионов юаней, а к 2022 году достигла 781 миллиона юаней, что свидетельствует о сильной конкуренции компании на рынке FPGA.

Валовая прибыль Fudan Micro также находится на относительно высоком уровне. С 2020 по 2022 год валовая прибыль от бизнеса FPGA составила 82,56%, 84,71% и 84,7% соответственно, сохраняя высокую стабильность и прибыльность. Это главным образом связано с сильной технической мощью компании и полным набором продуктов.

05

У отечественных производителей ПЛИС много возможностей

В настоящее время существуют два благоприятных условия для локализации FPGA. Во-первых, отечественные производители FPGA в последние годы получили относительно большие объемы государственных субсидий, что отражает сильную поддержку страной локализации FPGA. Во-вторых, жизненный цикл 28-нм длиннее, чем у предыдущих поколений, что дает отечественным производителям достаточно возможностей наверстать упущенное.

Судя по раскрытым данным, за пять лет с 2018 по 2022 год отечественные производители ПЛИС ежегодно получали десятки миллионов, а то и сотни миллионов государственных субсидий. В 2022 году суммы государственных субсидий, включенные в текущие прибыли и убытки Anlu Technology, Fudan Micro и Ziguang Guowei, составят более 30 миллионов юаней, более 60 миллионов юаней и 170 миллионов юаней соответственно. Loongson Zhongke, основной продукцией которой являются процессоры, получит государственные субсидии в размере 190 миллионов юаней в 2022 году, Haiguang Information, основной продукцией которой являются процессоры и DCU, получит более 60 миллионов, а Jingjiawei получит более 30 миллионов. По данным WSTS, объем рынка микропроцессоров в 2022 году составит 50,8 млрд долларов США, что в 6 раз превышает размер рынка FPGA. По сравнению с другими категориями компаний, производящих цифровые чипы, объем государственных субсидий, получаемых компаниями FPGA, по-прежнему относительно велик, что отражает сильную готовность страны поддерживать FPGA.

Кроме того, жизненный цикл типичного цифрового чипа обычно составляет всего 10-15 лет (в то время как аналоговые чипы могут длиться более 20 лет). Пик доходов часто приходится на 4-5 лет после этого. запуск, 60 лет из-за характеристик быстрой итерации, % выручки пришелся на первые 6 лет, после чего последовал рынок, на котором упали как объем, так и цена. Таким образом, игроки рынка должны стремиться конкурировать за лидерство в процессах, поскольку производители, отстающие в процессах, часто не могут получить достаточный доход для поддержки разработки продуктов следующего поколения. Жизненный цикл 28-нм длиннее, чем у предыдущих поколений, что дает отечественным производителям достаточно возможностей наверстать упущенное.

В будущем рынок чипов FPGA продолжит быстро расти. Благодаря постоянному развитию 5G, Интернета вещей, искусственного интеллекта и других технологий чипы FPGA будут играть важную роль во многих областях. В то же время, благодаря постоянному развитию отечественной технологии чипов FPGA и постепенному увеличению доли рынка, внутренний рынок чипов FPGA также откроет более широкое пространство для развития.

Согласно прогнозу Frost & Sullivan, объем мирового рынка FPGA, как ожидается, превысит 12,5 миллиардов долларов США в 2025 году, а размер внутреннего рынка увеличится с 20,88 миллиардов юаней в 2022 году до 33,22 миллиардов юаней в 2025 году, при этом среднегодовой темп роста за три года составит примерно 17%.

В целом рынок чипов FPGA — это рынок, полный возможностей и проблем. Благодаря постоянному развитию технологий и постоянному расширению областей применения чипы FPGA будут играть важную роль во многих областях и способствовать быстрому развитию смежных отраслей.