FPGA：逐步切入AI服务器

FPGA：逐步切入AI服务器 核心观点 ⚫FPGA内部主要分为输入/输出要素、可编程逻辑要素和可编程布线要素三部分组成，逻辑块：基本要素包括查找表，其本质是静态随机存储器，其逻辑容量大小由输入端的信号数量所决定。除查找表外，逻辑块还包括实现时序电路的触发器和数据选择器等，逻辑块的核心是逻辑元件。输入输出块：连接I/O引脚和内部布线要素，完成芯片与外部电路连接的功能，同时进行输入输出的信号驱动和匹配。布线要素：包括开关块、连接块和布线块，作用是将不同的逻辑块连接起来，形成所需要的功能。布线要素中的开关块可以进行编程配置，可实现任意的布线通路。 薛宏伟执业证书编号：S0860524110001xuehongwei@orientsec.com.cn021-63326320 ⚫高度灵活性和低时延是FPGA的主要优势。与ASIC相比，FPGA具备更高灵活性，比如在下游算法更新或协议升级时，无需重新设计硬件，仅更新配置文件即可。在通信协议频繁升级、AI算法快速演进的训练，这种灵活的优势凸显，AI大模型推理框架每个月都会发生重大演进，均对基础硬件的计算模式提出了新的要求；FPGA在不更换硬件的前提下通过逻辑重配装备新算子，将硬件生命周期从单一模型代际延展至跨代复用。灵活性在传统领域的主要应用场景通信基站，后续在AI方面有望加速切入。与CPU/GPU相比，FPGA时延会更低。主要有三个原因，第一是算法直译硬件，FPGA通过可编程逻辑单元将算法直接映射为硬件电路，省去了CPU/GPU需要执行的指令解析和调度步骤。第二是数据流驱动，计算单元按数据到达顺序直接处理，无需频繁访问内存或等待全局同步。第三是并行运算，FPGA内部包含大量可同时工作的逻辑单元，支持任务级和流水线级并行。 贾国瑞执业证书编号：S0860526030002jiaguorui@orientsec.com.cn021-63326320 Agent推理时代，交换芯片持续通胀2026-05-28国产算力加速启航2026-05-25玻璃基板性能优异，先进封装、存储等下游打开应用空间2026-05-25 ⚫FPGA在AI服务器中形成控制、互联、计算等应用，单服务器价值量逐步提升。控制，CPLD/FPGA负责系统管理与电源顺序控制，机柜功耗逐步提升，GPU、HBM、交换芯片、DPU等多芯片的上电时序与过流保护要求严格要求，CPLD/FPGA采用非易失性存储介质、上电即工作，可在完成秒内电源轨道保护响应。互联，以英伟达Groq3LPX为例，需同时处理多种物理层接口与协议，FPGA可在单芯片内部署多套协议栈并支持动态在线重配，Scale-Up领域NVLink、UALink、SUE、UB等多协议并存格局持续强化FPGA互联方案的地位。计算，AlteraAgilex系列集成AITensorBlock支持主流推理框架直接调用，微软项目已验证FPGA在数据中心推理场景实现吞吐提升，FPGA在效能比、时延确定性与功能集成度三个维度具备优势，随大模型推理需求增长，FPGA在AI服务器渗透路径有望从控制与互联向计算迭代。 投资建议与投资标的 相关标的为在FPGA领域目前产品矩阵完善，同时在新品迭代较快的复旦微电(688385，买入)、安路科技(688107，未评级)、紫光国微(002049，增持)、成都华微(688709，未评级) 风险提示 下游需求不及预期，技术研发不及预期，行业竞争加剧风险。 目录 一、FPGA：现场可编程门阵列......................................................................4 1.1架构：多模块可重构.....................................................................................................41.2特点：高灵活性和低时延.............................................................................................5 二、FPGA在AI服务器的应用.......................................................................6 2.1控制：负责时序控制等环节..........................................................................................62.2互联：承担协议桥接和互联..........................................................................................62.3计算：做加速器............................................................................................................7 三、投资建议.................................................................................................8 四、风险提示.................................................................................................8 图表目录 图1：FPGA的定位......................................................................................................................4图2：FPGA架构.........................................................................................................................5图3：FPGA中表决电路示例.......................................................................................................5图4：FPGA提供了跨张量核心的高效的数据协调.......................................................................5图5：CPLD负责电源时序等功能.................................................................................................6图6：人工智能应用的异构边缘计算架构方案..............................................................................7 表1：数据中心的Scale-Up、Scale-Out、Scale-Across.............................................................6 一、FPGA：现场可编程门阵列 1.1架构：多模块可重构 FPGA是现场可编程门阵列。是1985年由赛灵思的创始人Ross Freeman发明。指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。FPGA是在PAL（可编程逻辑阵列）、GAL（通用阵列逻辑）、CPLD（复杂可编辑逻辑器件）等可编程器件的基础上发展而来的一种半定制电路。目前主要应用在航空航天、国防、消费电子、通讯、工业、AI等领域。 属于标准器件中的PLD。FPGA属于万能芯片PLD中的一种，PLD在芯片上逻辑门是固定的，只有布线是可重编程的，但FPGA是基于查找表实现逻辑要素，查找表电路不直接实现用户逻辑，而是利用多路复选器根据输入信号选择相应存储端口的值送到输出端口。查找表中布线是固定的，但逻辑是可重编程的，相较于PLD连线较少，更适合构建大规模逻辑电路。FPGA内部由可编程开关决定信号线的连接路径，再由可编程的查找表来实现逻辑函数。 FPGA由逻辑、输入/输出、布线三要素构成。FPGA由输入/输出要素、可编程逻辑要素和可编程布线要素三部分组成，以岛型FPGA举例，由可编程逻辑要素、输入输出要素和布线要素（开关块、连接块、布线通道）和存储模块组成，相邻的逻辑块、连接块和开关块组成一个可编程逻辑块，模块呈阵列式排列最终形成岛型结构。 逻辑块：市面上对于逻辑块结构的叫法各有不同，Xilinx称为CLB，Altera称为LAB，但本质原理类似。逻辑块基本要素包括查找表，其本质是静态随机存储器，其逻辑容量大小由输入端的信号数量所决定，目前一般为四输入查找表、五输入查找表和六输入查找表，但输入端数量增加会导致查找表面积的增加。除查找表外，逻辑块还包括实现时序电路的触发器和数据选择器等。逻辑块的核心是逻辑元件。 输入输出块：连接I/O引脚和内部布线要素，完成芯片与外部电路连接的功能，同时进行输入输出的信号驱动和匹配。 布线要素：包括开关块、连接块和布线块，作用是将不同的逻辑块连接起来，形成所需要的功能。布线要素中的开关块可以进行编程配置，可实现任意的布线通路。 数据来源：FPGA原理与结构，东方证券研究所 1.2特点：高灵活性和低时延 FPGA具备高灵活性。与ASIC相比，FPGA具备更高灵活性，比如在下游算法更新或协议升级时，无需重新设计硬件，仅更新配置文件即可，大幅缩短研发周期。在通信协议频繁升级、AI算法快速演进的训练，这种灵活的优势凸显，AI大模型推理框架每个月都会发生重大演进，从Transformer到MoE架构的切换、从FP16到FP8/FP4量化精度的下探，均对基础硬件的计算模式提出了新的要求；FPGA在不更换硬件的前提下通过逻辑重配，将硬件生命周期从单一模型代际延展至跨代复用。同时，FPGA内嵌的高速SerDes接口可直接驱动PCIe、CXL等多种协议，符合AI服务器对多协议并存、快速切换的工程诉求。灵活性在传统领域的主要应用场景通信基站，后续在AI方面有望加速切入。 FPGA具备低时延特点。与CPU/GPU相比，FPGA时延会更低。主要有三个原因，第一是算法直译硬件，FPGA通过可编程逻辑单元将算法直接映射为硬件电路，省去了CPU/GPU需要执行的指令解析和调度步骤，从根源上减少了计算延迟。第二是数据流驱动，计算单元按数据到达顺序直接处理，无需频繁访问内存或等待全局同步，进一步降低了通信开销。第三是并行运算，FPGA内部包含大量可同时工作的逻辑单元，支持任务级和流水线级并行，多个任务能同时执行，显著提升吞吐量。 数据来源：Intel，东方证券研究所 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 二、FPGA在AI服务器的应用 2.1控制：负责时序控制等环节 控制：CPLD/FPGA负责AI服务器的系统管理与电源时序控制等功能。AI服务器机柜功耗已从传统8卡机的10-20KW提升至超节点的100KW以上，供电时序管理的复杂度增加，GPU、HBM、交换芯片、DPU等多芯片对上电顺序、欠压锁定与过流保护有详细要求，任何时序错误导致器件损毁。CPLD/小容量FPGA采用Flash/EEPROM等非易失性存储介质保存配置，掉