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东方证券:FPGA逐步切入AI服务器 价值持续提升

FPGA凭借灵活性与低时延优势,在AI服务器中承担控制、互联与计算三重角色,单机价值量随AI算力需求增长逐步提升,渗透路径从控制互联层向核心计算层迭代,有望成为AI加速关键器件。

先说几个核心判断:FPGA(现场可编程门阵列)这玩意儿,在AI服务器里的戏份越来越重了。从本质上讲,它是个“软硬兼施”的狠角色——既能像软件一样灵活适配算法迭代,又拥有硬件级别的低延迟响应。相比之下,ASIC(专用集成电路)一旦流片就基本定型,想改功能得重新投钱;而CPU/GPU虽然通用性强,但在时延敏感的场景里,FPGA的优势就体现出来了。在AI服务器中,FPGA主要承担控制、互联和计算三大任务,单台服务器的价值量正逐步提升,其渗透路径有望从控制与互联层,逐步向核心计算层迭代。

东方证券:FPGA逐步切入AI服务器 价值持续提升

FPGA内部构成:从逻辑块到布线网络

FPGA的内部架构,可以分为三个层面来理解。首先是输入/输出要素(I/O),它负责芯片与外部电路的连接,完成信号驱动和电平匹配。其次是可编程逻辑要素,也就是逻辑块。逻辑块的核心元件是查找表(LUT),本质上是一小块静态随机存储器(SRAM),其逻辑容量的大小,取决于输入端信号的数量。除了查找表,逻辑块里还集成了触发器和数据选择器,用于实现时序电路。最后是可编程布线要素,包括开关块、连接块和布线块。它们的作用是把不同的逻辑块连接起来,形成用户需要的功能。关键在于,布线要素中的开关块也是可编程的,这意味着可以实现任意的布线通路。这种结构,决定了FPGA“万能芯片”的底层能力。

高度灵活性和低时延:FPGA的两张王牌

与ASIC相比,FPGA最大的优势在于灵活性。下游算法更新或协议升级时,FPGA不需要重新设计硬件,只需更新配置文件即可。在通信协议频繁升级、AI算法快速演进的今天,这种“软升级”的价值尤其突出。举个例子,AI大模型的推理框架几乎每个月都会有重大演进,对底层硬件的计算模式不断提出新要求。FPGA可以在不更换硬件的前提下,通过逻辑重配置快速“装备”新算子,将硬件的生命周期从单一模型代际,延展到跨代复用。这种灵活性在传统通信基站领域已经得到验证,而在AI领域,它的切入速度正在加快。

与CPU/GPU对比,FPGA的时延优势更加明显。原因有三:第一,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必须执行的指令解析和调度步骤。第二,数据流驱动。计算单元按照数据到达的顺序直接处理,不需要频繁访问内存或等待全局同步。第三,并行运算。FPGA内部拥有大量可同时工作的逻辑单元,支持任务级和流水线级并行。这三个特性叠加,使得FPGA在时延敏感的推理场景中,拥有天然优势。

AI服务器中的三重角色:控制、互联、计算

在AI服务器里,FPGA的应用场景正在从外围向核心渗透,单台服务器的价值量也随之提升。

控制:这是最基础的应用。CPLD/FPGA负责系统管理与电源顺序控制。随着机柜功耗不断攀升,GPU、HBM、交换芯片、DPU等多芯片的上电时序与过流保护要求变得极为严格。CPLD/FPGA采用非易失性存储介质,上电即工作,可以在毫秒级完成电源轨道的保护响应。

互联:以英伟达的Groq3LPX架构为例,它需要同时处理多种物理层接口与协议。FPGA可以在单芯片内部署多套协议栈,并支持动态在线重配置。在Scale-Up领域,NVLink、UALink、SUE、UB等多协议并存的格局,正在不断强化FPGA作为互联方案的地位。

计算:这是FPGA在AI服务器中价值量最高的应用方向。Altera的Agilex系列集成了AI Tensor Block,支持主流推理框架直接调用。微软的项目已经验证,FPGA在数据中心推理场景中可以实现吞吐量提升。在效能比、时延确定性与功能集成度三个维度上,FPGA都具备显著优势。随着大模型推理需求的增长,FPGA在AI服务器中的渗透路径,有望从控制与互联层,逐步向核心计算层迭代。

风险提示

需要警惕的是:下游需求不及预期、技术研发不及预期、行业竞争加剧等潜在风险。

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