一文看懂FPGA芯片投資框架

1、FPGA，主要由“可編程邏輯單元+輸入輸出單元+開關(guān)連線陣列”等三種功能單元構(gòu)成。FGPA 通常由可編程的邏輯單元(Logic Cell, LC)、輸入輸出單元(Input Output Block, IO)和開關(guān)連線陣列(Switch Box, SB)三種功能單元構(gòu)成。FPGA 的可編程性是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中查找表(LUT)值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與 I/O 間的聯(lián)接方式，開關(guān)陣列能夠通過內(nèi)部 MOS 管的開關(guān)控制信號連線的走向，因此用戶可以通過對邏輯單元和開關(guān)陣列的編程，在 FPGA 內(nèi)部形成不同邏輯電路，以滿足所需功能。圖

2、 2：FPGA 芯片實物圖圖 3：FPGA 芯片結(jié)構(gòu)資料來源:XILINX 官網(wǎng)，整理資料來源:維基百科，整理FPGA 和 CPU、GPU、ASIC 的等核心區(qū)別：其底層邏輯運算單元的連線及邏輯布局未固化，適用于底層算法需要持續(xù)更迭的運算領(lǐng)域，例如人工智能算法優(yōu)化。FPGA 芯片，其底層邏輯運算單元的連線邏輯布局并未固化。用戶可通過 EDA 軟件對邏輯單元和開關(guān)陣列編程，進行功能配置，從而去實現(xiàn)特定功能的集成電路芯片。而其他類別邏輯芯片，像 ASIC、CPU 和 GPU 等，物理底層邏輯單元的運算關(guān)系均已固定且不可變。打個比方，如果 ASCI、CPU 和 GPU 等是像建好的樓房，樓房中房間、

3、走廊及樓梯等路線方式是已經(jīng)固定了。而 FPGA 的內(nèi)部類似霍格沃茲中的魔法樓梯，可以隨時改變房間到房間的路線關(guān)系。并且 FPGA 不需要像 CPU 和 GPU 在軟件應(yīng)用層面的指令系統(tǒng)編譯，對 FPGA 進行編程是使用硬件描述語言，并直接編譯燒錄為晶體管電路的組合，即直接用晶體管電路實現(xiàn)用戶的算法。因此 FPGA 方案芯片無需像傳統(tǒng)芯片制造需要流片，可以節(jié)約大量流片生產(chǎn)成本，也無需承擔(dān)由流片帶來的數(shù)個季度的時間成本。由于 FPGA 是一種半定制芯片，具有現(xiàn)場可編程性，特別適用于需求物理運算邏輯需要持續(xù)更迭的應(yīng)用領(lǐng)域，例如人工智能算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用等。圖 4：FPGA 和 CPU、GPU、A

4、SIC 的等指標(biāo)區(qū)別圖 5：FPGA 和 ASIC 成本對比資料來源: Sigenics，整理資料來源:IEEE，整理全球 FPGA 芯片需求規(guī)模超過 125 億美金，年復(fù)合增速超過 10%，增長的核心源動力來自何處？FPGA 下游應(yīng)用市場廣泛，隨著 5G 技術(shù)的提升、AI 的推進以及汽車自動化趨勢的演進，全球 FPGA 市場規(guī)模將穩(wěn)步增長。據(jù) Market Research Future 數(shù)據(jù)，2018 年全球 FPGA 市場規(guī)模為 63.35 億美元，預(yù)計 2025 年將增長至125.21 億美元，2018-2025 年平均復(fù)合增長率為 10.22%。隨著 5G 技術(shù)的提升以及 AI 的推

5、進，全球 FPGA 市場規(guī)模將穩(wěn)步增長。中國 FPGA 市場高需求，國產(chǎn)化趨勢下助力國內(nèi)企業(yè)占領(lǐng)市場。近年來，中國 FPGA 芯片市場規(guī)模持續(xù)上升，從 2016 年的 65.5 億元增長至 2020 年的 150.3 億元，年復(fù)合增長率答 23.1%。據(jù)預(yù)測，至 2025 年中國 FPGA 市場規(guī)模將進一步提升至 332.2 億元，2021-2025 年的復(fù)合增長率為 17.1%，高于全球 FPGA 市場的 10.85%。在國產(chǎn)化趨勢下，中國 FPGA 市場的成長將助力國內(nèi)企業(yè)占據(jù)市場份額。圖 6：全球 FPGA 市場規(guī)模（億美元）圖 7：中國 FPGA 市場規(guī)模（億元/p>

6、6040200全球FPGA市場規(guī)模YoY14%12%10%8%6%4%2%0%350300250200150100500中國FPGA市場規(guī)模YoY2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E35%30%25%20%15%10%5%0%資料來源:中國移動，整理資料來源:產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，整理高靈活性使得下游應(yīng)用領(lǐng)域豐富，是 FPGA 芯片需求增長核心源動力。由于 FPGA 芯片通過專用 EDA 軟件現(xiàn)場對硬件進行編程即可實現(xiàn)具體功能，這樣的高靈活性使得其下游應(yīng)用領(lǐng)域豐富，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子、人工智能等，

7、這些領(lǐng)域增長明確，發(fā)展空間廣闊，是 FPGA 芯片需求增長核心源動力。圖 8：全球 FPGA 各下游應(yīng)用領(lǐng)域資料來源：Frost&Sullivan，分析整理1、5G 技術(shù)更新迭代，驅(qū)動 FPGA 量價齊升。5G 技術(shù)目前處于初期階段，迭代升級過程較長，為 FPGA 的運用提供了較長時間窗口。目前 5G 技術(shù)仍然處于初期，標(biāo)準(zhǔn)仍未確定，通信基站中的通信協(xié)議需要經(jīng)常變化和升級，市場很難快速推出成熟的 5G ASIC 芯片。而 FPGA具有可編程特性，在運算速度和延遲上均具有優(yōu)勢，在 5G 技術(shù)迭代升級過程較長以及技術(shù)不確定的情況下，是 5G基站的必備選擇。5G 通信基站數(shù)量增多，單個基站 FPGA

8、 用量提升，帶動 FPGA 需求量增大。一方面，現(xiàn)階段 5G 基站處于鋪設(shè)初期，且 5G 基站信號衰減較快，對基站的需求量比 4G 時期增長明顯，未來全球 5G 通信基站數(shù)量成長空間巨大。據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，2019 年全球 5G 基站數(shù)量為 13 萬座，到 2024 年全球 5G 基站數(shù)量將增長至 541 萬座。另一方面，隨著大規(guī)模天線技術(shù)的引入，收發(fā)通道數(shù)將從 16T16R 提高到 64T64R 甚至 128T128R，需要對每個天線單元接受到的信號進行數(shù)字處理以降低干擾，單基站 FPGA 用量有望從 4G 時期的 1-3 塊提升到 5G 時期的 4-5 塊，5G基站中 FPGA 價值量比

9、4G 基站多大約 1000 美元。因此，隨著 5G 技術(shù)的不斷演進，通信基站數(shù)量以及單基站 FPGA用量的提升，均將帶動 FPGA 需求量的增長。圖 9：中國移動 5G 基站原型機采用大規(guī)模 FPGA 陣列圖 10：5G 基站建設(shè)數(shù)量預(yù)測（萬座）4G基站 5G基站1200100080060040020002014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024資料來源:中國移動，整理資料來源:產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，整理通道數(shù)增加，計算復(fù)雜度增加，F(xiàn)PGA 單價有望進一步提高。在單價方面，收發(fā)通道數(shù)將從 16T16R 提高到 64T64R甚至 128T1

10、28R，計算復(fù)雜度進一步提升，則需要更大規(guī)模的 FPGA。而較大規(guī)模生產(chǎn)時，F(xiàn)PGA 芯片的單位成本將提升。隨著計算復(fù)雜度提升以及規(guī)模的增長，未來 FPGA 芯片的單價有望進一步提升。預(yù)計至 2025 年，中國通信領(lǐng)域 FPGA 市場規(guī)模將達 140.4 億元。FPGA 的高度靈活性，極強的實時處理能力和并行處理能力使得其在通信領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。據(jù) Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國通信領(lǐng)域 FPGA 市場規(guī)模將達 62.1 億元，2025 年將增長至 140.4 億元，平均復(fù)合增長率高達 17.71%，成長空間廣闊。圖 11：5G 基站通道數(shù)增加圖 12：中國 F

11、PGA 通信領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）中國FPGA通信領(lǐng)域市場規(guī)模YoY16040%14035%12030%10025%8020%6015%4010%205%00%資料來源:IEEE，整理資料來源:Frost & Sullivan，整理2、人工智能時代 DEEP LEARNING 是重要趨勢，F(xiàn)PGA 具有獨特優(yōu)勢人工智能發(fā)展趨勢顯著，成為 FPGA 新興應(yīng)用市場之一。人工智能早期，GPU 憑借更多的計算能力和更快的內(nèi)存連接速度使機器學(xué)習(xí)成為可能。隨著算法的規(guī)模及復(fù)雜性提升，GPU 能耗大等劣勢逐步顯現(xiàn)。而 FPGA 處理效率及靈活性具有顯著優(yōu)勢，成為理想選擇，潛力日益顯現(xiàn)。在云側(cè)處理時，F(xiàn)PGA

12、芯片的高靈活性及強并行運算能力突出；在端側(cè)處理時，可編程性、高吞吐和低延遲等特點能有效滿足需求。人工智能算法的硬件芯片實現(xiàn)分為云側(cè)處理和端側(cè)處理。在云側(cè)處理時，與 GPU 和 ASIC 相比， FPGA 內(nèi)在并行處理單元達到百萬級，并行運算能力強大。且其可編程性可實現(xiàn)靈活搭建數(shù)據(jù)處理流水線，因此運算速度較快，數(shù)據(jù)訪問延遲低，適合人工智能的實時決策。在端側(cè)處理時，目前人工智能算法模型發(fā)展的重要趨勢是將訓(xùn)練后的模型壓縮后應(yīng)用到推理環(huán)節(jié)，F(xiàn)PGA 的可編程性、高吞吐量和低延遲能有效滿足各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要求。目前，F(xiàn)PGA 在人工智能加速卡領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，預(yù)計 2025 年中國 FPGA 人工智能領(lǐng)域市

13、場規(guī)模將達 12.5 億元。通常情況下，F(xiàn)PGA 會與 CPU 搭配，起到 CPU 加速卡的作用，即把 CPU 的部分數(shù)據(jù)運算卸載至 FPGA，將部分小實時處理/加速定制化的計算交由 FPGA 執(zhí)行。據(jù) Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2020 年應(yīng)用于該領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國銷售額將達 5.8 億元，預(yù)計 2025 年將增長至 12.5 億元，成長空間廣闊。圖 13：Intel FPGA 加速卡圖 14：中國 FPGA 人工智能領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）中國FPGA人工智能領(lǐng)域市場規(guī)模YoY141210864202016 2017 2018 2019 2020E 2021E 202

14、2E 2023E 2024E 2025E40%35%30%25%20%15%10%5%0%資料來源:Intel，整理資料來源:Frost & Sullivan，整理3、汽車自動化趨勢下，F(xiàn)PGA 低延遲和高吞吐量使其大放異彩汽車自動化勢不可擋，驅(qū)動 FPGA 在汽車領(lǐng)域的成長。汽車電子行業(yè)對 FPGA 的需求主要來自于 ADAS（智能感知系統(tǒng)）和 AV（自動駕駛）。這些應(yīng)用都需要對來自多個傳感器（具有不同類型的接口、數(shù)據(jù)速率等）的大量數(shù)據(jù)進行處理，需要能夠滿足靈活 I/O 接口和高數(shù)據(jù)速率要求的 FPGA 進行支撐。低延遲和更高吞吐量，F(xiàn)PGA 是 ADAS 解決方案的重要組成部分。當(dāng) GPU

15、 進行深度學(xué)習(xí)推理時，需要大量并行數(shù)據(jù)的并行處理，以通過單指令多數(shù)據(jù)（SMID）。相比之下，F(xiàn)PGA 進行無批次處理，具有低且確定的延遲，以及更高的吞吐量和一致的計算效率，這使得 FPGA 成為 ADAS 解決方案的重要組成部分。以國際龍頭賽靈思為例，2014年，其芯片被 14 家汽車制造商采用，并設(shè)計成 29 款車型；到 2018 年，賽靈思芯片解決方案以擴大到 29 家汽車制造商的 111 款車型中。圖 15：FPGA 進行無批次處理圖 16：賽靈思 FPGA 在汽車中的應(yīng)用資料來源:Intel，整理資料來源:賽靈思，整理自動駕駛等級提高，所需傳感器數(shù)量增長，需處理的傳感器數(shù)據(jù)將成指數(shù)級提

16、升。自 2008 年起 L1 級自動駕駛技術(shù)出現(xiàn)，至 2019 年 L1 級自動駕駛車型數(shù)量占比達 28.70%，有較大幅度的提升。隨著駕駛自動化水平從 ADAS L1演進到全自動駕駛 L5，對環(huán)境進行感知的傳感器數(shù)量將激增以保證安全，且圖像傳感器要求更高分辨率、像素深度和幀速率，需要多個通信接口和高數(shù)據(jù)帶寬。業(yè)界專家表示，L2 級別自動駕駛平均傳感器數(shù)量約為 6 個，L3 約為13 個，未來 L5 有望達到 30 個以上。圖 17：ADAS 中傳感器的使用圖 18：各級別自動駕駛的車型數(shù)量占比（%）基本款L1級自動駕駛L2級自動駕駛80%70%60%50%40%30%20%10%0%2008

17、 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019資料來源:Synopsys，整理資料來源:蓋世汽車研究室，整理隨著汽車電子不斷發(fā)展，中國 FPGA 汽車領(lǐng)域市場規(guī)模迅速增長。隨著汽車電子不斷發(fā)展，電動汽車和智能汽車滲透率不斷提升，對傳感器的需求將大幅增長，所需處理的數(shù)據(jù)也將呈指數(shù)級增長，這將驅(qū)動 FPGA 在汽車電子領(lǐng)域市場規(guī)模的不斷擴大。據(jù) Frost & Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2020 年應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國銷售額將達到 9.5億元，預(yù)計 2025 年將增長至 26.3 億元，年復(fù)合增速高達 22.59%。

18、圖 19：中國 FPGA 汽車領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）中國FPGA汽車領(lǐng)域市場規(guī)模YoY3030%2525%2020%1515%1010%55%00%2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E資料來源: Frost & Sullivan、分析整理4、工業(yè)控制、消費電子同樣是 FPGA 重要應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制、消費電子同樣是 FPGA 重要應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA 芯片被大量應(yīng)用在視頻處理、圖像處理、數(shù)控機床等領(lǐng)域以實現(xiàn)信號控制和運算加速功能。2020 年應(yīng)用于工控領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國銷售額將達 47.4億元 ，預(yù)計

19、 2025 年將進一步增長至 100.8 億元，復(fù)合增長率達 16.29%。在消費電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片可用于智能手機、無人機、智能電視、AR/VR 設(shè)備中。2020 年應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國銷售額將達 9.4 億元 ，預(yù)計 2025 年將進一步增長至 17.6 億元，復(fù)合增長率達 13.36%。圖 20：中國 FPGA 工業(yè)領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）圖 21：中國 FPGA 消費電子領(lǐng)域市場規(guī)模（億元）120100806040200 中國FPGA工業(yè)領(lǐng)域市場規(guī)模YoY40%35%30%25%20%15%10%5%0%中國FPGA消費電子領(lǐng)域市場規(guī)模YoY201816141210

20、864202016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E40%35%30%25%20%15%10%5%0%資料來源: Frost & Sullivan，整理資料來源: Frost & Sullivan，整理全球 FPGA 市場競爭格局如何？國內(nèi)廠商誰或拔得頭籌？全球 FPGA 市場，主要被海外企業(yè)壟斷，CR4 份額達 97%，賽靈思、Altera 遙遙領(lǐng)先。2019 年賽靈思和 Altera分別占據(jù)全球 FPGA 市場份額的 52%和 35%，遙遙領(lǐng)先；Lattice 和 Microsemi 均占據(jù) 5%的市場份額。由于技術(shù)壁壘高

21、、更新?lián)Q代速度快，全球 FPGA 市場高度集中，國內(nèi)廠商占比較低。中國 FPGA 市場，國內(nèi)企業(yè)有所突破，安路科技出貨量達 6%。2019 年，以出貨量統(tǒng)計，賽靈思、Altera、Lattice和安路科技分別占據(jù)了中國 FPGA 市場 36.6%、25.3%、23.2%和 6.0%的份額；以銷售額計，賽靈思、Altera、Lattice和安路科技分別占據(jù) 55.1%、36.0%、5.2%和 0.9%的市場份額。盡管國外廠商占比仍然較高，但國內(nèi)廠商有所突破。圖 22：2019 年全球 FPGA 市場競爭格局圖 23：2019 年中國 FPGA 市場競爭格局其他, 3%Laticce, 5%Mic

22、rosemi, 5%Laticce, 5.20%安路科技,0.90% 其他, 2.80%賽靈思, 52%Altera, 36.00%賽靈思, 55.10%Altera, 35%資料來源:The Information Network，整理資料來源: Frost&Sullivan，上市公司公開數(shù)據(jù)，整理國內(nèi) FPGA 市場需求迅速增長，誰或拔得頭籌？高靈活性帶來廣泛下游應(yīng)用領(lǐng)域，是 FPGA 芯片需求的源動力。隨著 5G 技術(shù)的提升、AI 的推進以及汽車智能化的不斷演進，據(jù) Market Research Future 預(yù)計，2025 年全球 FPGA 市場規(guī)模將增長至 125 億美元。目前全球

23、 FPGA市場被賽靈思、Altera、Lattice、Microsemi 四家美國企業(yè)占據(jù)。隨著國內(nèi) 5G 進程的加快、人工智能、汽車智能化的推進，國內(nèi) FPGA 市場需求迅速增長。國內(nèi) FPGA 企業(yè)在國產(chǎn)化趨勢顯著的良好外部環(huán)境下，積極加大研發(fā)投入，有望逐步占據(jù)中國 FPGA 市場份額，并在產(chǎn)品性能提升過程中，增強核心競爭力，長期來看縮小與國際龍頭的差距。國內(nèi)企業(yè)加大研發(fā)布局，設(shè)計能力有較大提升。在 28nm 制程 FPGA 市場，兩大巨頭賽靈思和 Altera 于 2011 年率先發(fā)布產(chǎn)品并開始銷售，Lattice 和 Actel 也于 2019 年推出對應(yīng)產(chǎn)品，海外 FPGA 企業(yè)擁有

24、先發(fā)優(yōu)勢。隨著國內(nèi)企業(yè)加大研發(fā)布局，其設(shè)計能力已有較大提升，如復(fù)旦微 28nm 制程億門級FPGA 芯片已實現(xiàn)量產(chǎn)出貨；安路科技 28nm產(chǎn)品已正式量產(chǎn)，F(xiàn)inFET 工藝產(chǎn)品已開展預(yù)研。隨著國內(nèi)企業(yè)的進一步研發(fā)，有望逐步縮小與國際先進水平的差距，在國產(chǎn)化趨勢下擴大國內(nèi)市場份額。國產(chǎn) FPGA 公司梳理：復(fù)旦微、安路科技、紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體復(fù)旦微(正在上市詢價)：2020 年公司 FPGA 芯片營收 1.52 億元，占總收入的 9.17%。公司自 2004 年開始進行 FPGA 的研發(fā)，陸續(xù)推出百萬門級和千萬門級 FPGA。2018 年第二季度率先推出 28nm 工藝制程的億門級 FPGA 產(chǎn)品，SerDes 傳輸速率達到最高 13.1Gbps，填補國內(nèi)空白，并于 2019 年初開始量產(chǎn)。目前，公司基于 28nm 工藝制