电子：“FPGA五问五答”系列报告二-FPGA和CPU、GPU有什么区别？为什么越来越重要？

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和CPU、GPU有什么区别？为什么越来越重要？ ——“FPGA五问五答”系列报告二 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_yjs@dxzq.net.cn 执业证书编号：S1480521080004 投资摘要： 近年来，诸如 TPU、MPU、DPU 等的“X”PU 们似乎层出不穷，市场经常会对这些新创造出的名词感到困惑：为什么会出现这么多的单元？作为我们 FPGA 五问五答系列报告二，在这篇报告中，我们进一步回答投资人最常问的问题之一：FPGA 和 CPU、GPU有什么区别？为什么越来越重要？我们认为，这个问题不是简单回答他们的区别就可以解决的，因此我们单拎出来解答。 我们认为，众多“X”PU 出现的原因，本质上是由于 CPU 的算力到达瓶颈了，背后是通用计算时代的终结。从发明以来，CPU 算力的提升主要依靠两大法宝：一是提高时钟频率，二是增加处理器内核数，但这些方法到现在也遇到瓶颈了，人们开始放弃使用一个超强的 CPU 完成所有事情，而是对某些重复的场景，卸载到专用的加速器，以达到新一阶段的降低功耗，提升性能的目的，这就是“XPU”等加速器兴起的原因。同时，自 2010 年 AI 兴起，AI 模型的训练所需的算力是爆发式的增长，且“加&乘”的本质使得算力要求愈发偏向高并行而不是高串行，因此 CPU 越来越难以胜任高算力的场景，通用计算时代终结，数据中心走向加速器时代。未来 10 年，在数据中心高性能计算及 AI 训练中，CPU 这一“主角”的重要性下降，而以往的“配角们”，即 GPU、FPGA、TPU、DPU 等的加速器的重要性在上升。 FPGA 相比 CPU 的巨大优势在于确定性的低时延，这是架构差异造成的。CPU 的利用率越高，处理时延便越大，而 FPGA无论利用率大小，其处理时延是稳定的。在汽车和工业这些需要确定低时延的场景，FPGA 具有非常大的优势。此外，FPGA相比 CPU，具有更高的灵活性。 FPGA 相比 GPU 的优势在于更低的功耗和时延。GPU 无法很好地利用片上内存，需要频繁读取片外的 DRAM，因此功耗非常高。FPGA 可以灵活运用片上存储，因此功耗远低于 GPU。FPGA“无批次（Batch-less）“的架构，使其在 AI 推理中相比GPU 具有非常强的时延优势。此外，GPU 的接口单一，而 FPGA 在接口灵活性上具有无可比拟的优势，特别适合工业场景。 为什么 FPGA 是战略芯片？我们认为，未来科技发展有两个领域处于战略地位：一是 AI，二是太空。AI 代表人类更高级别的生产力工具，而太空是可供人类开发探索的广阔而未知领域。FPGA 凭借其架构带来的时延和功耗优势，在 AI 推理中具有非常大的优势。同样，FPGA 独特的优势使其在航空航天领域有非常广泛的应用。 目前，我们看到太空活动发生新变化，背后是太空不断增长的算力需求。变化 1：地球观测、探火活动在增加；变化 2：寻求扩大 AI 在太空的应用，以及宽带卫星通信的快速增长，提高了算力要求；变化 3：航天级器件的代际差在缩小，处理能力越来越接近目前最高水平。当今全球地缘政治紧张的背景下，各国自有卫星星座需求激增，太空活动进入新活跃期。 FPGA 在航天领域为什么更具有优势？主要有两点原因：1）FPGA 可以降低项目的时间和金钱成本。航空航天存在着小批量多品种的应用，本质是一个长尾的市场，能够适配的 ASSP 较少，而如果专门设计一颗 ASIC 成本则会非常高，时间也会变得非常长，由此造成的时间成本不是线性的。FPGA“万能”的特点，可以节省 ASIC 的 NRE 成本，设计周期也大幅缩短，避免重复的可靠性认证，加快项目进展；2） FPGA 动态可重构的特点可以降低在轨错误。太空项目本质是风险厌恶的，一旦发生错误，可能导致数亿美元甚至生命的损失。航天级的 FPGA 可以通过定期刷新回读、动态重构的方式，避免或者减轻宇宙射线对自身造成的破坏，是其它器件所无法做到的。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期。 P2 东兴证券深度报告 FPGA 和 CPU、GPU 有什么区别？为什么越来越重要？——“FPGA 五问五答”系列报告二 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. 为什么会有这么多的“X”PU？——“配角们”的时代 .......................................................................................................................... 3 2. 相比 CPU，FPGA 的并行性和灵活性更高，能提供确定性的时延................................................................................................. 5 3. 相比 GPU， FPGA 的时延和功耗更有优势......................................................................................................................................... 8 4. FPGA 的战略意义：AI & Space ........................................................................................................................................................ 11 风险提示 ......................................................................................................................................................................................................14 插图目录 图 1： CPU 面临算力瓶颈的原因 ............................................................................................................................................................. 3 图 2： 2010 年兴起以来，AI 模型对算力的要求呈现爆发式增长，速度远超摩尔定律 .................................................