電子-算力芯片系列之一：FPGA行業(yè)深度研究：新領(lǐng)域打開新空間產(chǎn)品力提升加速國產(chǎn)化

證券研究報告算力芯片系列之一：FPGA行業(yè)深度研究劉雙鋒電子行業(yè)首席分析師liushuangfeng@SAC編號：S1440520070002SFC中央編號：BNU539喬磊電子行業(yè)分析師qiaolei@SAC編號：S1440522030002郭彥輝電子行業(yè)分析師guoyanhui@SAC編號：S1440520070009于芳博人工智能行業(yè)首席分析師yufangbo@SAC編號：S1440522030001發(fā)布日期：2022年11月26日FPGA芯片可編程特性具備更強靈活性，技術(shù)迭代帶來容量和性能提升。FPGA芯片在制造完成后功能并未固定，用戶可以根據(jù)需要將設(shè)計的電路通過專用EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，轉(zhuǎn)化為具有特定功能的芯片，且可以多次配置。FPGA較其他芯片靈活性更強，擅長大規(guī)模并行計算且能耗較低。FPGA芯片的并行計算的性能由其容量來提供，高容量的FPGA允許部署更多的處理電路，因而帶來了更高的處理性能。技術(shù)迭代比如先進工藝、先進封裝、基本組成單元LUT的電路優(yōu)化等帶來容量和性能提升。FPGA芯片以自身靈活性在各行業(yè)里獲取市場份額，對產(chǎn)品定義和產(chǎn)品線豐富程度提出高要求。FPGA芯片下游應(yīng)用廣泛，行業(yè)保持快速增長。隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)，人工智能和自動駕駛等新興市場的加速發(fā)展，F(xiàn)PGA需求將持續(xù)增長。根據(jù)Gartner預(yù)測，2020-2026年全球FPGA市場規(guī)模從55.85億美元增至96.9億美元，CAGR為9.6%。中國FPGA市場增速領(lǐng)先全球，根據(jù)Frost&Sullivan預(yù)測，2021-2025年中國FPGA市場規(guī)模將從176.8億元增至332.2億元，CAGR為17.1%。從下游應(yīng)用領(lǐng)域來看，通信和工業(yè)是FPGA芯片前兩大市場，通信市場占比受新技術(shù)驅(qū)動有望持續(xù)提升，汽車為增長最快速的下游市場。行業(yè)集中度高，中低容量和成熟制程FPGA滿足當(dāng)前市場主流需求。FPGA芯片行業(yè)集中度高，頭部企業(yè)占據(jù)絕大多數(shù)市場份額。根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2021年AMD、Intel、Lattice和Microchip的市占率分別達51%、29%、7%和6%，前四家美國公司占據(jù)全球93%的FPGA市場。國內(nèi)廠商有望從中低容量和成熟制程起步不斷突破，目前國內(nèi)主要的FPGA廠商有紫光國微（含紫光同創(chuàng)）、復(fù)旦微電、安路科技等,2021年占據(jù)國內(nèi)市場16%的份額。投資建議：FPGA國產(chǎn)化率仍處于較低水平，頭部企業(yè)有望在國產(chǎn)化浪潮中占據(jù)先機。國內(nèi)廠商產(chǎn)品認可度不斷提升，但在產(chǎn)品豐富度與技術(shù)實力仍與海外廠商存在差距，未來成長空間大，我們建議重點關(guān)注安路科技、紫光國微和復(fù)旦微電。風(fēng)險提示：中美貿(mào)易/科技摩擦升級風(fēng)險；技術(shù)研發(fā)進展不及預(yù)期；下游市場需求不達預(yù)期；市場競爭加劇導(dǎo)致毛利率下降的風(fēng)險等。2邏輯器件（數(shù)字芯片）可以大致分為標(biāo)準(zhǔn)器件和定制芯片兩類，一般越偏向定制，邏輯器件的性能（速度）、集成度（門數(shù)）和設(shè)計自由度等方面越有優(yōu)勢，但設(shè)計、制造相關(guān)的開發(fā)費用越高，從下單到出貨的周轉(zhuǎn)時間也越長。其中，標(biāo)準(zhǔn)器件中有一類邏輯器件被稱為可編程邏輯器件（ProgrammableLogicDevice，PLD），F(xiàn)PGA是PLD的一種，其比以往（狹義）的PLD設(shè)計自由度更高，并有近似于門陣列的構(gòu)造，故被命名為FPGA（Field-ProgrammableGateArray，現(xiàn)場可編程門陣列）。FPGA最早由Xilinx于1985年推出首款產(chǎn)品，目前其制造工藝已經(jīng)達到7nm。資料來源：《FPGA原理和結(jié)構(gòu)》，中信建投資料來源：《深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FFPGA由可編程的邏輯單元（LogicCell，LC）、和外部進行信號交互的輸入輸出單元（InputOutputBlock，IO）、連接前兩種元素的開關(guān)連線陣列（SwitchBox，SB）三個部分構(gòu)成。FPGA的邏輯單元通過數(shù)據(jù)查找表（look-uptable，LUT）中存放的二進制數(shù)據(jù)來實現(xiàn)不同的電路功能。LUT本質(zhì)上是一種靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM），其大小由輸入端的信號數(shù)量決定，常用的查找表電路是四輸入查找表（LUT4）、五輸入查找表（LUT5）和六輸入查找表（LUT6）。查找表輸入端越多，可實現(xiàn)邏輯電路越復(fù)雜，因此邏輯容量越大。由布爾代數(shù)理論可知，對于一個n輸入的邏輯運算，不論是何種門運算，最多只有2n種結(jié)果，因此若事先將相應(yīng)結(jié)果存放于存儲單元，則相當(dāng)于實現(xiàn)了邏輯電路功能。一般k輸入的查找表由2k個SRAM單元和一個2k輸入的數(shù)據(jù)選擇器組成。查找表的輸入就是內(nèi)存表的地址信號，輸出就是該地址所選字的1位數(shù)據(jù)。k輸入的查找表可以實現(xiàn)22k種邏輯函數(shù)。FPGA通過燒寫文件配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路下實現(xiàn)不同的邏輯功能。FPGA最大的特性是現(xiàn)場可編程性。CPU、GPU、DSP、Memory及各類ASIC芯片在被制造完成之后，其功能就已被固定，用戶無法對其硬件功能進行任何修改，而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)實際需要，將設(shè)計的電路通過專用EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片，且可以進行多次不同功能配置。閃存、反熔絲和靜態(tài)存儲器是現(xiàn)代FPGA常用的可編程技術(shù)。FPGA通過可編程的開關(guān)來控制電路結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)可編程性。這種“可編程”的開關(guān)通常使用多種半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)，F(xiàn)PGA歷史上使用過EPROM、EEPROM、閃存、反熔絲和靜態(tài)存儲器（SRAM）等，其中閃存、反熔絲和靜態(tài)存儲器是現(xiàn)代FPGA常用的可編程技術(shù)，目前國內(nèi)公司大部分使用基于靜態(tài)存儲器的可編程技術(shù)。采用閃存技術(shù)的ActelProASIC采用反熔絲技術(shù)的SX-A采用靜態(tài)存儲器技術(shù)的ZYNQUltraSCALE靜態(tài)存儲器由兩個CMOS反相器構(gòu)成的觸發(fā)器和兩個傳輸晶體管（Pass-Transistor，PT）組成。靜態(tài)存儲器利用觸發(fā)器的雙穩(wěn)態(tài)（0和1）記錄數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的寫入通過PT進行，PT使用nMOS型晶體管。靜態(tài)存儲器通常根據(jù)地址信號來驅(qū)動字線，數(shù)據(jù)的讀取也通過PT。因此可以將存儲單元輸出的VDD到Vth間的高電位通過讀取放大器放大后輸出。但是，由于FPGA需要一直讀取數(shù)據(jù)，所以在FPGA中數(shù)據(jù)是直接從觸發(fā)器讀取而非通過PT。采用靜態(tài)存儲器作為可編程開關(guān)的FPGA大多在邏輯塊中使用查找表（LUT），并使用數(shù)據(jù)選擇器等來切換布線連接。查找表的存儲器中保存的就是邏輯表達式的真值表本身，由多位的靜態(tài)存儲器構(gòu)成。另外，控制數(shù)據(jù)選擇器連接的選擇信號也和靜態(tài)存儲器相連。這種FPGA一般稱為SRAM型的FPGA，是目前的主流類型。FPGA芯片以包含LUT的可編程邏輯單元LC為基本邏輯單元設(shè)計電路，CPU/GPU/ASIC等芯片使用專用數(shù)字器件庫來設(shè)計電路。完成同樣的代碼，F(xiàn)PGA需要的晶體管數(shù)量更多，導(dǎo)致其主頻較低。從數(shù)據(jù)對比來看，F(xiàn)PGA的主頻（<500MHz）相比CPU、GPU（1-3GHz）存在較大差距。FPGA芯片的并行計算的性能由其容量來提供，高容量的FPGA允許部署更多的處理電路，因而帶來了更高的處理性能。在容量方面，LUT數(shù)量、DSP數(shù)量、RAM數(shù)量和UserIO數(shù)量是重要的技術(shù)指標(biāo)，其中LUT數(shù)量是FPGA芯片容量的基礎(chǔ)性指標(biāo)。其次，制造工藝、DSP工作頻率、動態(tài)功耗、SerDes速率和DDR3/DDR4速率等是FPGA芯片重要的技術(shù)指標(biāo)。主頻（G） 0E52680V4（CPU）TeslaP100（GPU）uFPGA自誕生來緊隨工藝的發(fā)展路線，不斷使用最先進的制程工藝推出新產(chǎn)品，這主要是由于更先進的制程可以實現(xiàn)更低功耗、更快反應(yīng)速度、單位面積更多晶體管數(shù)量，從而使得芯片性能更佳。2005年后FPGA和ASIC的工藝制程差距逐漸拉大，F(xiàn)PGA和通用處理器一樣緊隨工藝發(fā)展腳步每兩年更新一次，而ASIC近十年除游戲主機等一部分應(yīng)用外，大多數(shù)產(chǎn)品仍在130-90nm制程，F(xiàn)PGA所采用的工藝比ASIC領(lǐng)先三四代。Xilinx的FPGA產(chǎn)品有Spartan系列、Artix系列、Kintex系列、Virtex系列，產(chǎn)品工藝主要是45nm、28nm、20nm、16nm。對比Xilinx不同產(chǎn)品的容量不難發(fā)現(xiàn)，對于同一系列產(chǎn)品，工藝越先進，對應(yīng)產(chǎn)品容量越高。0盡管更先進的制程工藝可以為FPGA帶來更大的邏輯規(guī)模和系統(tǒng)性能，但受制于芯片的物理特性，芯片的面積越大其良率也就越低，因此一部分超大規(guī)模的FPGA芯片開始采用硅通孔技術(shù)（TSV）將多個裸片堆疊以三維封裝的方式實現(xiàn)。資料來源：《先進封裝技術(shù)綜述》，Yole，中信建投資料來源：Xilinx官網(wǎng)，中信建投FPGA芯片的硬件設(shè)計將決定FPGA的性能，我們將FPGA硬件設(shè)計分為兩類，基礎(chǔ)組成單元LC結(jié)構(gòu)設(shè)計和芯片系統(tǒng)級設(shè)計?；窘M成單元LC的電路優(yōu)化，將提升FPGA芯片的容量和性能。當(dāng)前主流FPGA使用可編程邏輯單元LC主要由內(nèi)含靜態(tài)存儲單元（SRAM）微結(jié)構(gòu)的LUT組成,SRAM電路存儲單bit數(shù)據(jù)需要6個mos管。SRAM微結(jié)構(gòu)之外，LC結(jié)構(gòu)還包含了可編程性所需要的多路選擇器，和構(gòu)建同步時序電路需要的D觸發(fā)器，為了機臺測試所需要的測試電路等方面。LC結(jié)構(gòu)的設(shè)計中的功耗、性能、面積（PowerPerformanceArea,PPA）指標(biāo)的優(yōu)化將決定現(xiàn)有工藝下的產(chǎn)品的容量與性能。u優(yōu)化LC面積將允許在工藝的良率瓶頸下排列更多的LC單元u優(yōu)化LC功耗將允許不同封裝散熱條件限制下，排列更多LC的單元u優(yōu)化LC性能將縮短單個LC處理輸入輸出信號的延時，允許FPGA芯片運行在更高的主頻u靈活多樣的下游應(yīng)用對芯片內(nèi)的CPU/DSP/MIPI/RF/SerDes/ADC/DAC等IP資源也有豐富的需求，在良率瓶頸的限制下，IP的數(shù)量與LUT容量存在競爭FPGA芯片的軟件功能從用途上分為兩類，配置比特流的生成和軟核IP的設(shè)計。將用戶設(shè)計轉(zhuǎn)化為配置FPGA芯片所需要的比特流分為：綜合-布局布線-時序分析-功耗分析-比特流生成。FPGA芯片在硬件電路設(shè)計過程中，也需要借助ASIC領(lǐng)域的EDA設(shè)計工具實現(xiàn)綜合-布局布線-時序分析-功耗分析等步驟。FPGA軟件設(shè)計過程中的布局布線是在已有芯片內(nèi)的LUT資源和布線通道資源中選擇面向設(shè)計功能的走線資源，硬件設(shè)計過程中的布局布線是完成芯片內(nèi)可以用布局布線資源的導(dǎo)入。u綜合：將Verilog/VHDL設(shè)計代碼生成為FPGA網(wǎng)表級代碼，通常分為編譯，展開，優(yōu)化等步驟。u布局布線：將綜合得到的FPGA網(wǎng)表映射到LUT與布線陣列中，通常有l(wèi)ogic-driven和timing-driven兩種方式。u時序分析：軟件中包含LUT與互連線等延時信息，通過反標(biāo)延時得到網(wǎng)表的總體時序結(jié)果，供用戶進行關(guān)鍵時序分析。u功耗分析：軟件中包含LUT與互連線等功耗信息，通過反標(biāo)反轉(zhuǎn)率與功耗得到網(wǎng)表的總體功耗結(jié)果，供用戶進行功耗分析。u比特流生成：將通過時序、功耗分析的FPGA網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為配置比特流，放到片外或片內(nèi)的存儲器中。豐富的軟核IP庫，是FPGA廠商長期致力完善的任務(wù)。以基于Serdes協(xié)議的接口協(xié)議PCIE為例，模擬電路Serd部分大多由FPGA芯片廠商以加密軟核IP的方式來提供，用戶層面采用調(diào)度軟核的方式部署常用協(xié)議。其余軟核IP包括存儲塊RAM設(shè)計、并行國外廠商：Xilinx的Vitis統(tǒng)一軟件平臺包括一組廣泛的開源庫，其Vitis加速庫為數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、線性代數(shù)、視覺即圖像處理、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析等提供開箱即用的加速功能，用戶可使用高級編程語言C、C++、Python進行編程，對于其編寫的現(xiàn)有應(yīng)用，用戶甚至不需修改代碼可直接使用。Lattce同樣為用戶提供國內(nèi)廠商：安路科技全流程自主開發(fā)了專用的EDA軟件——TangDynasty，也積累了一批成熟的圖像處理和邏輯接口IP供用戶使用。紫光同創(chuàng)的PangoDesignSuite和復(fù)旦微的Procise等同樣是其自主開發(fā)的EDA軟件。資料來源：Xilinx官網(wǎng)，中信建投資料來源：Lattice官網(wǎng)，中信建投FPGA下游的行業(yè)與客戶較為分散，Xilinx/Altera/Lattice等公司均有豐富的產(chǎn)品線。不同行業(yè)及其應(yīng)用，除了對FPGA容量需求外，芯片內(nèi)的硬核IP資源如CPU/DSP/MIPI/SerDes/RF/ADC/DAC等也較為豐富，硬核IP和LUT容量組合出豐富的產(chǎn)品可能性。FPGA芯片以自身靈活性在各行業(yè)里獲取市場份額，但芯安路科技已為多家客戶提供大容量嵌入式eFPGAIP，供客Xilinx的Zynq?UltraScale+?MPSoC器件不僅提供64位處理器可擴展性，同時還將實時控制與軟硬件引擎相結(jié)合，支持圖形、視頻、波形與數(shù)據(jù)包處理。置于包含通用實時處理器和可編程邏輯的平臺上，三個不同變體包括雙核應(yīng)用處理器(C00資料來源：各公司官網(wǎng)，中信建投資料來源：各公司官網(wǎng)，中信建投FPGA近百億美元廣闊市場，受益于數(shù)據(jù)中心和AI等應(yīng)用，未來5年增長加速。隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)，人工智能和自動駕駛等新興市場的加速發(fā)展，F(xiàn)PGA需求將持續(xù)增長。根據(jù)Gartner預(yù)測，2020-2026年全球FPGA出貨量從5.11億顆增至8.25顆，CAGR為8.3%；FPGA市場規(guī)模從55.85億美元增至96.9億美元，CAGR為9.6%。99876543210 02020E2021E202近幾年中國FPGA市場持續(xù)擴大增長，整體增速領(lǐng)先全球。根據(jù)Frost&Sullivan測算，2020年中國FPGA出貨量達到1.6億顆，市場規(guī)模達到150.3億元。隨著國內(nèi)AI應(yīng)用的快速發(fā)展以及國產(chǎn)替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望以領(lǐng)先全球的速度持續(xù)擴大，F(xiàn)rost&Sullivan預(yù)計2021-2025年，中國FPGA芯片出貨量將從1.9億顆增至3.3億顆，CAGR約為15.0%；市場規(guī)模將從176.8億元增至332.2億元，CAGR約為17.1%。20162020E0通信和工業(yè)為最大下游市場，汽車市場份額保持上升趨勢。從下游應(yīng)用市場來看，通信和工業(yè)市場份額位居FPGA芯片一二位，同時通信市場份額有望持續(xù)提升，而工業(yè)市場則呈小幅下降趨勢。全球軍工、航天FPGA應(yīng)用市場份額穩(wěn)定在15%左右。汽車為增長最快速的下游市場，Gartner預(yù)計其市場份額將由2020年的5.9%增至2026年的12.3%。消費電子預(yù)計將是FPGA芯片份額最小的下游市場，主要是因為FPGA雖然以其靈活性適宜于消費電子快速迭代的節(jié)奏，但在具有顯著規(guī)模效應(yīng)的消費電子市場，F(xiàn)PGA相比ASIC的成本劣勢明顯。因此從生命周期來講，F(xiàn)PGA的應(yīng)用具有一定局限性。15.2%10.8%10.3%6.1%15.2%11.4%10.6%5.6%15.4%12.3%10.7%4.7%15.4%5.9%11.0%7.3%15.4%11.6%10.5%5.2%15.9%9.8%9.7%6.8%16.4%7.7%10.7%7.8%31.9%31.4%32.7%33.7%33.5%33.4%33.4%28.4%26.0%25.1%23.9%23.8%23.8%23.6%15.2%10.8%10.3%6.1%15.2%11.4%10.6%5.6%15.4%12.3%10.7%4.7%15.4%5.9%11.0%7.3%15.4%11.6%10.5%5.2%15.9%9.8%9.7%6.8%16.4%7.7%10.7%7.8%31.9%31.4%32.7%33.7%33.5%33.4%33.4%28.4%26.0%25.1%23.9%23.8%23.8%23.6%2020E2021E2022E2023E2024E2025E203.9%3.8%3.9%3.8%3.8%3.8%6.3%6.6%6.9%7.4%7.6%7.9%10.7%10.6%10.5%10.5%10.4%10.4%6.3%6.1%5.9%5.8%5.5%5.3%41.3%41.6%41.5%41.5%41.9%42.3%31.5%31.3%31.2%31.1%30.7%30.3%2020E2021E20FPGA高計算速度與靈活性適應(yīng)通信市場需求。相較于其他類型芯片，F(xiàn)PGA芯片一方面依靠其運算速度可以有效滿足通信領(lǐng)域高速的通信協(xié)議處理需求，另一方面又可依靠其靈活性以適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代的特點。此外，F(xiàn)PGA芯片對于復(fù)雜信號、多維信號的處理能力較強，可較好適應(yīng)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。有線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用于路由器、交換機中，以實現(xiàn)信號控制、傳輸加速等功能。無線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片被應(yīng)用在無線通信基站和射頻處理單元中，集成CPU和FPGA的SoC被應(yīng)用在室外微基站、室內(nèi)微基站等無線網(wǎng)絡(luò)通信中，以單芯片完成商業(yè)、住宅、工廠區(qū)域的多模覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量增加、人工智能計算、信息安全防控等多樣性功能需求。通信是目前FPGA規(guī)模最大的應(yīng)用市場，且隨著通訊技術(shù)持續(xù)的迭代，F(xiàn)PGA應(yīng)用優(yōu)勢逐步擴大，市場需求仍將保持高增長。未來幾年國內(nèi)外通信FPGA市場規(guī)模的復(fù)合年增長率均高于FPGA整體，通信市場的應(yīng)用份額也將穩(wěn)中有升。根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2026年全球通信FPGA芯片市場規(guī)模將達到32.3億美元，2020-2026年CAGR為10.4%。Frost&Sullivan預(yù)測2025年中國通信應(yīng)用的FPGA芯片市場規(guī)模將達到140.4億元，2021-2025年CAGR約17.5%。502020E2021E2022E 0在加速轉(zhuǎn)型的工業(yè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA大有取代ASIC的趨勢。工業(yè)4.0是德國與工業(yè)界為制造業(yè)制定的未來藍圖，也是工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指路明燈。工業(yè)4.0的大部分應(yīng)用場景對邊緣智能的硬件加速提出了新的需求，要求更低延遲的數(shù)據(jù)處理能力。另一方面，新設(shè)備需要具有可重新編程的能力，以應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)或者協(xié)議的演變。此外，智能工廠的建立離不開大數(shù)據(jù)處理及AI技術(shù)的應(yīng)用。FPGA提供靈活的解決方案,因此大有取代ASIC的趨勢，特別是在工業(yè)通訊、電機控制、機器視覺、邊緣計算、工業(yè)機器人等應(yīng)用場景。以工業(yè)通訊為例，F(xiàn)PGA的可編程性使其構(gòu)建繁雜通信協(xié)議之間的橋梁。傳統(tǒng)的工業(yè)通信主要考慮小范圍內(nèi)的設(shè)備連接層數(shù)據(jù)傳輸與交換，各工業(yè)以太網(wǎng)之間的傳輸協(xié)議并不相同，無法完全兼容。工業(yè)4.0時代，則要求所有的傳輸協(xié)議相同。在升級過程中，不同通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還會共存很久，各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要一個非常靈活的轉(zhuǎn)換介質(zhì)，F(xiàn)PGA將有望成為首選目標(biāo)。高端醫(yī)療設(shè)備也是FPGA重點應(yīng)用的泛工業(yè)場景，包括：診斷成像：X射線、超聲波、CT、MRI和PET；電子醫(yī)療：病人監(jiān)護、生命支持和麻醉設(shè)備；心律管理(CRM)：起搏系統(tǒng)、植入式心臟除顫器(ICD)和自動體外除顫器(AED)；生命科學(xué)與醫(yī)院設(shè)備：實驗室儀器、放射設(shè)備和各種醫(yī)院設(shè)備。FPGA的優(yōu)勢在于：縮短產(chǎn)品上市周期，而且隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展或需求的變化，F(xiàn)PGA可以在現(xiàn)場進行升級，降低后續(xù)硬件升級成本。FPGA能起到良好的硬件加速功能，例如對CT和PET等設(shè)備后端計算常用的快速傅立葉變換(FFT)使用自定義流水線并行處理。FPGA與醫(yī)療設(shè)備一樣具有長生命周期。未來全球工業(yè)領(lǐng)域市場規(guī)模保持穩(wěn)健增長趨勢，國內(nèi)市場增速領(lǐng)先全球。工業(yè)是除通信以外第二大規(guī)模的FPGA應(yīng)用領(lǐng)域，受益于工業(yè)智能化、無人化的發(fā)展趨勢，F(xiàn)PGA高效能、實時性、高靈活性的特點使其在工業(yè)領(lǐng)域的需求將保持增長。根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2026年全球工業(yè)FPGA市場規(guī)模將達到22.9億美元，2020-2026年CAGR為6.3%。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，2025年中國工業(yè)FPGA芯片市場規(guī)模將達到100.8億元，2021-2025年CAGR約16.1%。50 2020E2021E2022E200 20162017201820192020E資料來源：Lattice，中信建投隨著汽車電動化/智能化的發(fā)展，F(xiàn)PGA在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛。在系統(tǒng)接口及控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA用于控制和驅(qū)動電動汽車電機控制系統(tǒng)，連接駕駛系統(tǒng)、儀表盤、雷達、超聲波傳感器等各種車載設(shè)備。在視頻橋接和融合領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可用于實現(xiàn)多個圖像傳感器的信號橋接、3D環(huán)視視頻融合、倒車輔助視頻、輔助駕駛視頻等功能。在輔助駕駛和自動駕駛領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可用于實現(xiàn)機器視覺與目標(biāo)檢測等各種功能。以自動駕駛為例，高階自動駕駛系統(tǒng)對平臺靈活可拓展、高效的能力需求急劇增加，F(xiàn)PGA展現(xiàn)巨大潛力。自動駕駛算法尚在持續(xù)發(fā)展，F(xiàn)PGA的可重復(fù)編程性使算法得到快速部署測試，縮短整體方案的開發(fā)周期。此外，F(xiàn)PGA的高吞吐、低延遲和多種類協(xié)議支持的優(yōu)勢，也使其良好適配多傳感器融合感知的發(fā)展需要。汽車FPGA有望成為增速最快下游市場，全球以及中國市場均保持高增長。根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2026年全球汽車FPGA市場規(guī)模將達到11.9億美元，2020-2026年CAGR為23.8%，對應(yīng)市場份額將從5.9%提升至12.3%。Frost&Sullivan預(yù)測2025年中國汽車FPGA市場規(guī)模將達到26.3億元，2021-2025年CAGR約22.7%。86420a汽車市場規(guī)模（億元）—YOY50 20162017201820192020E2021E2022全球數(shù)據(jù)中心負載量急劇提升，F(xiàn)PGA可實現(xiàn)運算加速、系統(tǒng)管理等功能。數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)量尤其是實時數(shù)據(jù)的增長，極大地增加了對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器計算、處理能力的需求，Cisco預(yù)計全球數(shù)據(jù)中心負載任務(wù)量將從2016年的不到250萬個負載任務(wù)量增長到2021年的近570萬個負載任務(wù)量。為了應(yīng)對復(fù)雜多變的應(yīng)用情景，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和存儲器需要FPGA芯片實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能擴展、系統(tǒng)升級等功能，具體表現(xiàn)為運算加速器、電源管理器、接口控制器等。020162017201820192020EFPGA芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，進入門檻高。在數(shù)據(jù)中心運算處理領(lǐng)域，相比于CPU，F(xiàn)PGA芯片由于其無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)，能夠同時提供強大的計算能力和足夠的靈活性；相比GPU，F(xiàn)PGA芯片在數(shù)據(jù)中心具有低延遲及高吞吐的優(yōu)勢；相比ASIC，F(xiàn)PGA芯片在性能、靈活性、同構(gòu)性、成本和功耗等五個方面可以達到出色的平衡。從2016年開始，微軟Azure、亞馬遜AWS、阿里云的服務(wù)器上都開始部署FPGA加速器用于運算加速?？傮w來說，用于數(shù)據(jù)中心運算加速的FPGA具有高技術(shù)門檻，目前只有Xilinx、Altera具有成體系的產(chǎn)品。 網(wǎng)絡(luò)交換機FPGA-交換機連接FPGA加速卡FPGA-網(wǎng)卡連接雙插槽CPU服務(wù)器隨著計算的需求越發(fā)多樣化，CPU面臨著計算能力不足，計算方案不夠靈活的約束。FPGA以其靈活性進入了Intel和AMD兩大CPU廠商的視線。隨著先進封裝與異構(gòu)計算體系的研究，統(tǒng)一而有效的調(diào)度CPU、GPU、FPGA、ASIC等資源的體系正在逐漸建立與部署。在協(xié)處理領(lǐng)域，近幾年出現(xiàn)了一些硬件加速器，比如NPU，編解碼加速器，DSPCore，自定義矢量指令集等。然而這些加速器特點是針對某一類特定場景或算子而出現(xiàn)，在無法覆蓋到的場景上仍然需要消耗CPU的指令周期來完成。對于這一類場景，集成FPGA的異構(gòu)計算將有望帶來兼容度較高的解決方案。Intel收購Altera后積極探索FPGA作為協(xié)處理器的價值，2018年推出IntelXeonGold6138P服務(wù)器CPU，將Arria10GX1150FPGA與CPU封裝在芯片內(nèi)，通過IntelUPI協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)。隨著PCIe5.0的推出，Intel最新產(chǎn)品線使用基于PCIe5.0的CXL互聯(lián)協(xié)議搭建異構(gòu)平臺，同時推出oneAPI軟件供用戶調(diào)用異構(gòu)計算平臺內(nèi)的資源。電源管理及熱管理：隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)吞吐量的爆發(fā)增長，主交換機和控制處理器變得越來越復(fù)雜，這使得電源管理和熱管理變得更加復(fù)雜。FPGA依托其高I/O數(shù)量、低延遲和進程并行化的優(yōu)勢控制更多I2C通道、LED，并感測更多傳感器信號，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)整體高效的電源管理及熱管理。安全管理：FPGA可通過硬件強制隔離、硬件支持的身份管理和硬件加速身份驗證提供額外的安全性。FPGA的現(xiàn)場可編程性帶來獨特優(yōu)勢，例如攻擊者無法通過攻擊FPGA供應(yīng)商來發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用程序相關(guān)的信息。此外，攻擊者無法通過剝離芯片進行逆向工程。未來數(shù)據(jù)中心將是FPGA市場的重要增長動力，中國市場維持高增速。雖然數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的節(jié)奏會對相應(yīng)的FPGA需求帶來一定波動，但隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入推進，數(shù)據(jù)中心規(guī)模將長期保持增長態(tài)勢，未來數(shù)據(jù)中心將是FPGA市場的重要增長動力。Gartner預(yù)測2026年全球數(shù)據(jù)中心FPGA市場規(guī)模將達到10.3億美元，2020-2026年CAGR為9.0%。中國數(shù)據(jù)中心建設(shè)Frost&Sullivan預(yù)測2025年中國數(shù)據(jù)中心FPGA芯片市場規(guī)模將達到34.6億元，2021-2025年CAGR約16.6%。數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模（億美元）YOY864202020E2021E2022E250720162017201820192020E2021E2022E2023E2024E2基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)，是當(dāng)前人工智能研究的主要方向，深度學(xué)習(xí)算法是以數(shù)據(jù)處理為核心，其包含大量的計算操作，如GoogleNet網(wǎng)絡(luò)模型包含15.5億浮點操作，ResNet-152網(wǎng)絡(luò)模型包含了113億浮點操作等。由于計算量龐大，深度學(xué)習(xí)通常需要使用硬件加速，F(xiàn)PGA憑借更好的靈活性、更低的開發(fā)門檻及更短的開發(fā)周期成為優(yōu)秀的硬件加速器。人工智能算法的硬件芯片分為云側(cè)處理和端側(cè)處理，云側(cè)處理又分為訓(xùn)練和推斷兩大任務(wù)，訓(xùn)練任務(wù)多為單指令多數(shù)據(jù)流的計算，與GPU的架構(gòu)比較契合，而推斷任務(wù)通常為單數(shù)據(jù)多指令流的特點，這要求硬件加速器有低功耗、高性能、低延時等特性，相比GPU，F(xiàn)PGA擁有較高的能效比，更適合推斷任務(wù)。根據(jù)相關(guān)論文實驗數(shù)據(jù)，在人工智能具體三個領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA在語音識別和自然語言處理領(lǐng)域獲得加速效果更明顯，在功耗及速度方面優(yōu)于CPU和GPU，但FPGA在圖像識別領(lǐng)域峰值速度不及GPU，僅識別精度略高于后者。FPGA最大的特性是現(xiàn)場可編程特性，其在制造完成后，功能并未固定，用戶可根據(jù)實際需要，將自主設(shè)計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用EDA軟件進行功能配置，從而將空白的FPGA芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆FPGA芯片均可以進行多次不同功能配置，從而實現(xiàn)不同的功能。因此，F(xiàn)PGA芯片公司不僅提供芯片，還提供FPGA專用EDA軟件給客戶，即FPGA產(chǎn)品應(yīng)用通常是軟硬件一體的解決方案。人工智能算法具有兩個特點，一是模型迭代速度較快，二是模型處理數(shù)據(jù)量不斷增長，且模型復(fù)雜度日益提升，因此對硬件加速的需求不斷增強。而FPGA由于現(xiàn)場可編程的特性，故十分契合人工智能算法快速迭代的需求。此外針對人工智能算法對硬件加速的需求，GPU提供的加速設(shè)計方案是算法適應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)，即通常需要調(diào)整人工智能算法來適應(yīng)GPU的硬件結(jié)構(gòu)、執(zhí)行模型等，而FPGA軟硬件一體的形式使得其為人工智能算法提供的加速設(shè)計方案是硬件結(jié)構(gòu)適應(yīng)算法的方案，可以最大限度保留算法的本身特征，且近些年FPGA開發(fā)環(huán)境不斷豐富，目前已經(jīng)允許開發(fā)人員利用高級編程語言如C、C++或者OpenCL對FPGA進行開發(fā)，在很大程度上降低了FPGA開發(fā)的難度，縮短了FPGA開發(fā)周期，為用戶提供了便利。FPGA和GPU同樣擅長并行計算，大規(guī)模的并行計算是數(shù)據(jù)科技領(lǐng)域的核心需求，未來隨著大數(shù)據(jù)的規(guī)模逐漸攀升，具有更高并行計算能力的FPGA將迎來更廣泛的應(yīng)用。CPU通常被稱為標(biāo)量體系架構(gòu)，因為其旨在有效處理串行指令，每個時鐘周期（IPC）最多處理一條指令，先進的超標(biāo)量體系架構(gòu)的CPU可并行GPU可以有效處理矢量數(shù)據(jù)，通常被稱為矢量體系架構(gòu)。GPU用于計算的硅空間更多，而用于緩存和控制的硅空間更少。GPU擅長執(zhí)行大規(guī)模FPGA架構(gòu)不固定，可重新配置，其計算引擎由用戶定義。當(dāng)對FPGA進行編程時，已編譯的指令成為硬件組件，這些組件在空間上排列在FPGA架構(gòu)上，并且這些組件都可以并行執(zhí)行，因此，F(xiàn)PGA體系架構(gòu)被稱為空間體系架構(gòu)。CPU和GPU每個時鐘周期執(zhí)行單個指令，而FPGA在每個時鐘周期內(nèi)可對不同數(shù)據(jù)執(zhí)行指令流。FPGA可以全部執(zhí)行計算，計算資AI芯片根據(jù)實現(xiàn)分為云側(cè)處理和端側(cè)處理，其中云側(cè)即表現(xiàn)為在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中執(zhí)行訓(xùn)練和推理任務(wù)的協(xié)處理器。端側(cè)也是AI芯片重要部署區(qū)域，隨著智能終端對實時響應(yīng)和多樣化應(yīng)用的需求，越來越多的推斷任務(wù)被轉(zhuǎn)移到端側(cè)來完成，F(xiàn)PGA具有的現(xiàn)場可編程、可實現(xiàn)定制功能、高吞吐量和低延遲等特點有效地滿足了用戶對各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要求，成為適配各種經(jīng)過壓縮優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署和升級的理想選擇。Xilinx預(yù)計端側(cè)AI芯片的需求將會顯著超過數(shù)據(jù)中心，2025年的市場規(guī)模為數(shù)據(jù)中心的2.7倍。根據(jù)Omdia預(yù)測，云側(cè)和端側(cè)AI芯片將分別以GPGPU和定制ASIC為主，F(xiàn)PGA的份額分別為6%和2%。根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，2025年中國人工智能FPGA芯片市場規(guī)模將達到12.5億元，2021-2025年CAGR約16.9%。GPU-derivedAIASSPProprietarycoreCustomAIASICGPU-derivedAIASSP8642020162017201820192020E2021E2022E2023E2024E2資料來源：Omdia，中信建投資料 4.794.694.7 4320 4.794.694.7 4320在消費電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA芯片可用于智能手機、智能電視、無人機、AR/VR等設(shè)備中。FPGA可作為協(xié)處理器支持復(fù)雜的AI計算，同時縮減產(chǎn)品開發(fā)流程，以達到創(chuàng)新功能快速上市搶占市場的目的，通常用于產(chǎn)品生命周期中的前期迭代階段。Gartner預(yù)測全球消費電子FPGA市場規(guī)模從2021年呈下降趨勢，2026年達到4.5億美。Frost&Sullivan預(yù)測中國消費電子市場FPGA需求保持增長，2025年市場規(guī)模將達到17.6億元，2021-2025年CAGR約13.0%。a消費電子市場規(guī)模（億美元）2020E2021E8642020162017201820192020E2021E2022E2023E2024E2FPGA在航空航天和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，包括飛行控制、傳感器接口和圖像處理的無人機系統(tǒng)，軍用雷達射頻信號處理等。根據(jù)Gartner預(yù)測，軍工、航天特種FPGA市場穩(wěn)定增長，占FPGA市場整體份額維持在15%左右，預(yù)計2026年全球市場規(guī)模達到14.9億美元，2020-2026年CAGR為9.6%。參考Frost&Sullivan對中國民用FPGA市場的規(guī)模預(yù)測與全球特種FPGA市場份額，我們預(yù)計2025年中國特種FPGA市場規(guī)模有望達到60.5億元。86420 2021E2022E2023E2024E2025E02020E2021E海外廠商主導(dǎo)全球FPGA市場，Xilinx和Intel形成雙頭壟斷。全球的FPGA主要供應(yīng)商包括Xilinx、Intel、Lattice和Microchip等海外芯片設(shè)計公司，其中Xilinx優(yōu)勢最為明顯。根據(jù)Gartner統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以收入口徑，2021年Xilinx、Intel、Lattice和Microchip的市占率分別達51%、29%、7%和6%。國內(nèi)企業(yè)持續(xù)加大FPGA芯片的研發(fā)布局，通過自身技術(shù)的突破來滿足本土客戶的應(yīng)用需求。目前國內(nèi)主要的FPGA廠商有紫光國微(含紫光同創(chuàng)）、復(fù)旦微電、安路科技等，上述公司2021年在國內(nèi)市場共占據(jù)16%的市場份額，其中安路科技和紫光同創(chuàng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)偏向消費電子、工業(yè)控制和通訊等民用領(lǐng)域。500K以下邏輯單元FPGA占主導(dǎo)。按邏輯單元拆分，目前100K以下邏輯單元的FPGA仍是市場需求量最大的部分，其次為100K-500K邏輯單元部分。根據(jù)Frost&Sullivan，中國市場2019年以銷售額計，100K邏輯單元以下的FPGA占據(jù)了38.2%的市場份額，100K-500K邏輯單元的FPGA占據(jù)了31.7%的市場份額。28nm-90nm工藝制程FPGA占主導(dǎo)，具有較高性價比。按制程拆分，目前28nm-90nm制程區(qū)間內(nèi)的FPGA由于其較高的性價比，與較高的良品率依然占據(jù)了市場的主要地位。此外，由于先進制程產(chǎn)品具有更低功耗與面積和更高的性能，28nm以下制程的FPGA預(yù)計將快速發(fā)展。根據(jù)Frost&Sullivan，中國市場2019年以銷售額計，28nm-90nm制程的FPGA占據(jù)了63.3%的市場份額，28nm以下制程的FPGA占據(jù)了20.9%的市場份額。FPGA創(chuàng)始者，已被AMD收購。Xilinx于1984年成立，并在同年推出了全球第一款FPGA。Xilinx1990年在納斯達克上市，2022年2月被AMD收購。Xilinx目前有先進產(chǎn)品和核心產(chǎn)品兩大類產(chǎn)品系列：先進產(chǎn)品包括Versal、UltraScale+、UltraScale和7系列FPGA、SoC產(chǎn)品，制程涵蓋28/20/16/7nm。核心產(chǎn)品主要為45nm以上SPATRAN-6系及更早期的產(chǎn)品。44K-7.3KK數(shù)據(jù)中心、醫(yī)學(xué)成像、8K/4K視頻、無線通信2022財年營收恢復(fù)高速增長，數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域增長亮眼。目前Xilinx為全球最大的FPGA供應(yīng)商，2021財年營收規(guī)模31.5億美元，同比下滑主要受新冠疫情影響。2022財年前三季度公司重拾高速增長，營收同比增長23%。從收入結(jié)構(gòu)來看，AIT（國防、工業(yè)等）和通信是主要營收來源，2021年占比分別為44%和30%。從各下游市場增速來看，AIT保持穩(wěn)定增速，數(shù)據(jù)中心增長最快，通信業(yè)務(wù)受貿(mào)易限制和5G部署延遲等因素而出現(xiàn)下降。50航天/國防/工業(yè)/科研/醫(yī)療/測試/模擬FY2019FY2020航天/國防/工業(yè)/科研/醫(yī)療/測試/模擬40%30%20%10% 40%30%20%10% FY2019FY2020FY2019FY2020Intel收購Altera，F(xiàn)PGA業(yè)務(wù)當(dāng)前戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向協(xié)同Intel鞏固數(shù)據(jù)中心領(lǐng)導(dǎo)地位。Altera成立于1983年，為全球第二大FPGA供應(yīng)商。2015年Altera被Intel收購后劃為PSG事業(yè)部(Programmablesolutiongroup)，2022年起PSG事業(yè)部并入DCAI事業(yè)部(DatacenterandAIGroup）。DCAI致力于使用英特爾的頂級服務(wù)器CPU和FPGA開發(fā)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品，這意味著未來Intel的FPGA業(yè)務(wù)或?qū)⒕劢褂跀?shù)據(jù)中心、人工智能等高端應(yīng)用場景。IntelFPGA目前保有從高端到低端的五大系列產(chǎn)品，其中最新款的Agilex系列采用7nm制程和基于chiplet的設(shè)計。近幾年FPGA業(yè)績增長緩慢，市場份額有所下滑。Intel營收主要來自CCG(ClientCenterGroup)和DCG(DataCenterGroup)兩大事業(yè)部，PSG事業(yè)部營收占比低于3%，因而FPGA在Intel內(nèi)部的發(fā)展優(yōu)先級有限。從營收規(guī)模來看，2016-2021年IntelPSG事業(yè)部營收CAGR僅為3%，其中2019年和2020年分別因為云和企業(yè)、通信板塊業(yè)績下滑而出現(xiàn)了負增長。從市場份額來看，2014年并入Intel前，Altera占據(jù)39%的市場份額，2021年已下滑至29%。50 . XlinxAlteraOtherXlinxAlteraXlinxAlteraOther2014Lattice（NASDAQ：LSCC）專注于中小型、低功耗FPGA，產(chǎn)品主要基于NEXUS和AVANT兩大平臺設(shè)計，其中NEXUS為小型FPGA(1.4mm×1.45mm），對應(yīng)消費終端市場；AVANT為中型FPGA（15mm×15mm），對應(yīng)工業(yè)、通信、汽車應(yīng)用。Lattice暫不涉及應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心加速卡的大型FPGA（55mm×55mm）業(yè)務(wù)。Lattice預(yù)計AVANT和NEXUS兩大平臺對應(yīng)的目標(biāo)市場空間有60億美元。Lattice產(chǎn)品系列包含通用、視頻連接、超低功耗、控制與安全四大類。超低功耗公司營收保持增長趨勢，2021年以來增速提升。2018年至今，公司營收維持逐年增長態(tài)勢。2021年起公司營收開始快速增長，同比增速達到26.3%，實現(xiàn)營收5.2億美元。2022Q1-Q3公司實現(xiàn)營收4.8億美元，同比增長29.7%。通信/計算、工業(yè)/汽車領(lǐng)域營收高成長，消費營收占比逐步收縮。按下游市場劃分營收結(jié)構(gòu)，公司收入主要來源于通信/計算、工業(yè)/汽車兩大領(lǐng)域，2021年營收分別達到42%和44%。同時，受益于5G建設(shè)、工業(yè)自動化、智能座艙等需求的高增長，上述領(lǐng)域自2020年以來保持兩位數(shù)以上增速。消費領(lǐng)域前期的疲軟主要源于市場需求減弱，以及公司更加聚焦于營收主力市場，盡管2021年消費營收有所增長，但營收占比由2019年的19%下降至2021年的10%。6543210..2019202030%20%10% 30%20%10% 國內(nèi)首家專注FPGA的上市公司。安路科技成立于2011年，主營FPGA芯片及配套EDA軟件的研發(fā)與銷售。公司于2021年在上交所科創(chuàng)板成功上市，成為A股首家專注于FPGA業(yè)務(wù)的上市公司。安路科技已形成了完備的產(chǎn)品矩陣，并積累了優(yōu)質(zhì)的客戶與產(chǎn)業(yè)鏈資源。公司目前形成了PHOENIX高性能產(chǎn)品系列、EAGLE高性價比產(chǎn)品系列和ELF低功耗產(chǎn)品系列，并持續(xù)致力于高容量、高性能的FPGA和FPSoC芯片的研發(fā)與拓展，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。公司憑借領(lǐng)先的研發(fā)能力、長期的技術(shù)積累、可靠的產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)秀的客戶服務(wù)水平，在國內(nèi)外積累了良好的品牌認知和優(yōu)質(zhì)的客戶資源，客戶認可度不斷提高。此外，公司也與中芯國際、臺積電、華天科技等供應(yīng)商建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系。制程邏輯容量應(yīng)用領(lǐng)域介紹細分系列制程邏輯容量應(yīng)用領(lǐng)域介紹336-688ELF1130nm2015ELF1系列FPGA定位低成本、低功耗可編程市場?？焖偕想?36-688ELF1130nm2015ELF1器件非常適用于功能擴展、電源管理等應(yīng)用場景。網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心ELF21.5K-4.5K2018ELF55nmELF2系列FPGA是ELF的第二代產(chǎn)品，定位低功耗可編程市場。無需外部配置器件、低密度邏輯容量、豐富的存儲器、高達1網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心ELF21.5K-4.5K2018ELF55nm。ELF31.5K-9.2K201955nmELF3系列FPGA是ELF的第三代產(chǎn)品，定位工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心等功能擴展應(yīng)用市場，最多支持336個IO，滿足客戶板級功能擴展多樣性應(yīng)用需求。ELF3器件經(jīng)過功耗與性能優(yōu)化，使系統(tǒng)設(shè)計師在降低成本和功耗的同時又可滿足不ELF31.5K-9.2K201955nm工業(yè)控制AL3201465nm5.8K-11.1KAL3系列FPGA定位高性價比的邏輯控制市場。AL3器件系列建立在一個優(yōu)化的工藝基礎(chǔ)之上，并通過較低的成本實現(xiàn)較工業(yè)控制AL3201465nm5.8K-11.1KEAGLE工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心工業(yè)控制、消費電子工業(yè)控制專用EDA軟件EAGLE420K2016工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心工業(yè)控制、消費電子工業(yè)控制專用EDA軟件EAGLE420K201655nmPHOENIX1PHOENIX127K28nm2020PHOENIX1系列采用28nm工藝，支持100K~600K等效邏輯單元、高速運算單元、豐富的存儲資源和高達16Gbps的SerDes接口資源，定位高性能可編程邏輯市場。針對高帶寬應(yīng)用場景，PHOENIX1PHOENIX1PHOENIX127K28nm2020滿足工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)中心需求。EF2M4555nmEF2M45是嵌入ARM處理器核的FPSoC芯片，單顆芯片實現(xiàn)靈活的硬件可編程系統(tǒng)控制功能，EF2M4555nmFPSoCSWIFT15.8K2021SWIFT1系列是全新低功耗FPSoC產(chǎn)品，芯片集成了邏輯單元、存儲單元、視頻處理單元、RISC-V處理器核等資源，定位高帶寬的視頻數(shù)據(jù)處理和橋接可編程系統(tǒng)芯片市場，在保持低功耗的前提下，提供高達17.6Gbps帶寬的MIPI數(shù)據(jù)收發(fā)能SWIFT15.8K2021TangDynastyTangDynasty2014--TangDynasty軟件為公司所有FPGA芯片產(chǎn)品系列提供簡潔高效的應(yīng)用設(shè)計開發(fā)環(huán)境。該軟件針對每個系列芯片特性進行算法升級和迭代。TangDynastyTangDynasty2014--營收規(guī)?？焖僭鲩L，利潤端實現(xiàn)扭虧為盈。公司緊跟下游應(yīng)用市場需求并積極響應(yīng)，完成了多個新產(chǎn)品型號量產(chǎn)與用戶導(dǎo)入，2021年營業(yè)收入達到6.8億元，2018-2021年CAGR達到186%。為保證產(chǎn)品能夠緊跟下游應(yīng)用市場的需求，縮小與國際領(lǐng)先FPGA企業(yè)技術(shù)差距,公司始終保持著較高的研發(fā)投入，2020-2021年利潤端維持虧損狀態(tài)。2022年隨著公司銷售規(guī)模的進一步擴大，公司實現(xiàn)了利潤端扭虧為盈，2022Q1-Q3實現(xiàn)歸母凈利潤0.62億元營收結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，高端產(chǎn)品營收占比持續(xù)上升。在營收規(guī)模擴大的同時，公司高端產(chǎn)品的收入占比也在進一步提升。從制程上看，55nm為目前公司主要收入來源，28nm在2021H1營收占比升至5.1%。從產(chǎn)品系列來看，高端系列的PHOENIX和FPSoC收入占比也在快速上升。2021年營收占比分別達到15.6%和2.6%。987654320201820192020202018201國內(nèi)民用FPGA領(lǐng)先廠商。紫光同創(chuàng)于2013年由紫光國微出資建立，2021年度完成新一輪增資。紫光同創(chuàng)專注于FPGA及配套EDA的開發(fā)與銷售，其FPGA業(yè)務(wù)側(cè)重通信、工業(yè)控制、視頻監(jiān)控等民用市場。紫光同創(chuàng)FPGA產(chǎn)品可分為從高端到低端的三大系列：Titan系列、Logos系列和Compact系列。PangoDesignSuite是一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模FPGA開發(fā)軟件，可以支持千萬門級FPGA器件的設(shè)計開發(fā)。營收規(guī)?？焖贁U張，2021年實現(xiàn)扭虧為盈。紫光同創(chuàng)FPGA取得了發(fā)貨量和營收的全面快速增長，2019-2021年公司營收從1.02億元增至7.82億元。公司前期虧損主要源于FPGA高額研發(fā)投入所致，2021年首度實現(xiàn)盈利0.41億元。（等效8642064202019202020192020率先推出億門級FPGA，填補國內(nèi)空白。公司自2004年開始進行FPGA的研發(fā)，曾陸續(xù)推出百萬門級FPGA和千萬門級FPGA，65nm千萬門級FPGA已穩(wěn)定加工和批量生產(chǎn)近5年。2018Q2率先推出基于28nm的億門級FPGA產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白。自主開發(fā)配套EDA設(shè)計工具，開啟布局14/16nmFPGA和基于自研FPGA的PSoC。1）EDA設(shè)計工具：公司已成功自主研發(fā)28nm億門級FPGA配套設(shè)計工具ProciseTM，該工具為國內(nèi)FPGA首款超大規(guī)模全流程EDA設(shè)計工具；2）下一代FPGA：公司已開啟14/16nm十億門級FPGA的研發(fā)，預(yù)計于2021-2022年進行流片，于2022年提供產(chǎn)品初樣，于2023年實現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)；3）PSoC：公司正在28nm工藝制程上研發(fā)基于FPGA的青龍系列PSoC，內(nèi)嵌大容量自研eFPGA模塊，并配置APU和多個AI加速引擎，可廣泛用于高速通信、信號處理、圖像處理、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域；4）配套平臺：高性能、高密度的封裝工藝平臺及測試平臺已初步建成，尚未完全固化；可靠性平臺正在有序搭建中。品用品程器件PSoC資料來源：復(fù)旦微電年報，中信建投資料來源：復(fù)旦微電招股說明書，中信建投公司FPGA業(yè)務(wù)把握半導(dǎo)體國產(chǎn)化機遇，營收規(guī)模與盈利能力快速提升。截至2021年底，公司累計向超過300家客戶銷售基于28nm工藝制程的相關(guān)FPGA產(chǎn)品，上述客戶類型包括通信領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域及高可靠領(lǐng)域客戶。最近幾年公司把握半導(dǎo)體國產(chǎn)化機遇，收入快速增長，2018-2021年，公司FPGA營收從1.55億元增至4.27億元，期間CAGR達到40.2%。公司FPGA毛利率也維持上升趨勢，2021年達到84.7%。FPGA以特種應(yīng)用為起點，積極拓展通信、工控領(lǐng)域應(yīng)用并取得高速增長。公司FPGA業(yè)務(wù)早期專注于特定應(yīng)用領(lǐng)域，近幾年公司積極拓展通信、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域，該領(lǐng)域的FPGA銷售額占公司整體FPGA銷售額的比重大幅上升，2020年達到64.3%。 0201820192020公司連續(xù)承接FPGA國家重大科技專項，技術(shù)實力國內(nèi)領(lǐng)先。在可編程邏輯器件領(lǐng)域，公司連續(xù)承接了國家“十一五”、“十二五”、“十三五”FPGA國家科技重大專項，擁有自主創(chuàng)新FPGA架構(gòu)設(shè)計技術(shù)、工藝適配設(shè)計技術(shù)和高速低功耗設(shè)計技術(shù)等，F(xiàn)PGA產(chǎn)品規(guī)模最高可達7,000萬門級，同時擁有產(chǎn)品系列齊備的CPLD產(chǎn)品，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。公司至今已形成了完善的可編程邏輯器件產(chǎn)品體系，并配套自主開發(fā)工具。CPLD與FPGA為公司核心業(yè)務(wù)，近幾年營收規(guī)模高速增長。得益于國內(nèi)特種領(lǐng)域?qū)呻娐樊a(chǎn)品的需求提升，以及集成電路國產(chǎn)化的國家戰(zhàn)略，公司憑借多年在數(shù)字集成電路領(lǐng)域的研發(fā)積累、高可靠的產(chǎn)品性能以及出色的售后服務(wù)能力，迅速抓住市場機遇，邏輯芯片、存儲芯片、微控制器各大產(chǎn)品線銷售收入均實現(xiàn)了較快增長。2020年公司CPLD、FPGA合計營收達到1.54億元，2018-2020年CAGR達到45.5%，營收占比48.6%。2021年1-9月CPLD、FPGA合計營收達到2.08億元，超過2020全年營收。采用0.13μm-0.22μmCMOS工藝，采用0.18μmCMOS工藝，最大容采用0.18μmCMOS工藝，最大容020182019高云半導(dǎo)體已推出多款中低密度FPGA，高端產(chǎn)品制程達到22nm。高云半導(dǎo)體成立于2014年，于2015Q1規(guī)模量產(chǎn)出國內(nèi)第一款產(chǎn)業(yè)化的55nm工藝400萬門的中密度FPGA芯片，2016年第一季度順利推出國內(nèi)首顆55nm嵌入式FlashSRAM的非易失性FPGA芯片；2017年實現(xiàn)FPGA芯片的規(guī)模出貨；2019年，公司發(fā)布國內(nèi)第一顆FPGA車規(guī)芯片，并實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。2022年，公司發(fā)布22nm的AroraV系列。--西安智多晶微電子已實現(xiàn)55nm、40nm工藝中低密度FPGA量產(chǎn)目標(biāo)。公司成立于2012年，總部位于西安，北京設(shè)立有EDA軟件研究中心。公司團隊致力于在LED驅(qū)動、視頻監(jiān)控、圖像處理、工業(yè)控制、4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等各行業(yè)應(yīng)用充分發(fā)揮FPGA的方案優(yōu)勢。公司目前已實現(xiàn)55nm、40nm工藝中密度FPGA的量產(chǎn)，并針對性推出了內(nèi)嵌Flash、SDRAM等集成化方案產(chǎn)品，截至2018年已批量發(fā)貨2KK片。公司產(chǎn)品Sealion2000/2000s系列已經(jīng)可以對中低端的AlteraCycloneIV、XilinxSPARTAN-6/7系列的部分低配產(chǎn)品進行一些替代。而隨著Seal5000系列的成功推出，則有望形成對AlteraCycloneV、XilinxSPARTAN-6系列部分低配產(chǎn)品的超越。京微齊力是國內(nèi)首家22nmFPGA量產(chǎn)廠商。京微齊力是國內(nèi)最早進入自主研發(fā)、規(guī)模生產(chǎn)、批量銷售通用FPGA芯片及新一代異構(gòu)可編程計算芯片的企業(yè)之一。公司擁有超200件專利，具備獨立完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，涵蓋FPGA內(nèi)核設(shè)計、SOC架構(gòu)設(shè)計、芯片開發(fā)、EDA軟件開發(fā)、IP開發(fā)與集成等全棧技術(shù)領(lǐng)域。公司產(chǎn)品將FPGA與CPU、MCU、Memory、ASIC、AI等多種異構(gòu)單元集成在同一芯片上，市場涵蓋國家通信/工業(yè)/安防/電力/醫(yī)療/消費等核心基礎(chǔ)設(shè)施。目前，公司產(chǎn)品在65/55/40nm工藝節(jié)點上全面實現(xiàn)量產(chǎn)，22nm產(chǎn)品H3C08為國內(nèi)首顆基于22nm工藝制程并成功量產(chǎn)的FPGA芯片。---易靈思核心團隊業(yè)界經(jīng)驗豐富，推出國內(nèi)首款16nmFPGA。易靈思核心團隊成員來自賽靈思、英特爾與Microsemi等科技公司早期的專家和管理團隊，平均行業(yè)經(jīng)驗25年。易靈思FPGA包括Trion和鈦金兩大系列。40nmTrion系列FPGA提供4K至120K邏輯容量，內(nèi)嵌硬核MIPI1.5Gbps，硬核DDR31066Mbps等資源，具備小體積、低功耗、大密度等優(yōu)勢。已廣泛被國際知名企業(yè)采用，應(yīng)用于機器視覺、工業(yè)控制、醫(yī)療、LED等行業(yè)，在1.5年的時間發(fā)貨量超過300萬顆。芯片具備一致性和可靠性保證,在性能方面可以對標(biāo)XilinxSpartan6，Intel的CycloneIV以及Cyclone10系列，同時功耗大約只有1/3到1/2，對于低功耗應(yīng)用，優(yōu)于傳統(tǒng)28nmFPGA。鈦金系列是國內(nèi)首款16nmFPGA，支持16G/25.8GSerDes、LPDDR4、2.5GMIPI接口，提供35K到1KK邏輯，具備超低功耗、超小封裝、超大密度的特點。XilinxXC6SLX9AlteraLatticeArora民用市場：從下游行業(yè)角度來看，Lattice預(yù)計有60億美金目標(biāo)市場，這也是國內(nèi)FPGA廠商發(fā)展的路徑，同時這些行業(yè)本身還有不斷迭代的新增需求。Lattice預(yù)計2024年全球小型FPGA和中型FPGA市場規(guī)模分別為22億美元和25億美元，合計市場份額61.0%，占據(jù)市場主體。國內(nèi)FPGA廠商可以參考Lattice的路徑，早期基于小型和中型FPGA，逐步拓展到大型FPGA。特種市場：出于國家安全考量，特種應(yīng)用領(lǐng)域自主可控的重要性排在首要位置，預(yù)計在部隊信息化和裝備國產(chǎn)化的雙輪驅(qū)動下，特種FPGA國產(chǎn)化率進程將領(lǐng)先于民用市場，國內(nèi)供應(yīng)商將迎來發(fā)展機遇。資料來源：Lattice，中信建投資料來源：Latti中國為國際大廠最大營收貢獻地，為國內(nèi)廠商留下充足替代空間。目前Xilinx和Lattice的最大營收地區(qū)全部來源于中國，占比分別為3成和5成，國內(nèi)廠商對應(yīng)可替代的市場空間充足。隨著摩爾定律放緩，頭部廠商跟隨先進工藝的速度也隨之下降，給國內(nèi)企業(yè)追趕提供時間窗口。FPGA下游市場為通信、工控、汽車、數(shù)據(jù)中心、特種應(yīng)用領(lǐng)域，均有較強的自主可控需求，國內(nèi)FPGA廠商成長空間廣闊。50FY2019FY20205435432102019國內(nèi)外FPGA廠商在產(chǎn)品豐富度與技術(shù)實力存在差距，國內(nèi)廠商還有巨大提升空間。首先在14nm及以下的先進制程產(chǎn)品區(qū)間，國內(nèi)公司還處于空白階段。對比同為28nm制程的產(chǎn)品系列，國內(nèi)公司的產(chǎn)品矩陣豐富度不及海外巨頭，同時國內(nèi)產(chǎn)品在性能上也有一定的差距，例如邏輯容量和SERDES速率。以安路科技高端產(chǎn)品PHOENIX1系列為例，招股說明書中將PH1A100對標(biāo)XilinxArtix7系列的XC7A100T，而XC7A100T在XIlinx7系列產(chǎn)品中屬于中等偏下水平。-5XC7A100T）DSP數(shù)量UserIO數(shù)量DSP工作頻率464~629DDR3/4速率/發(fā)布時間XilinxAltera(Intel)200720082009SPARTAN6▲$25%2010201120122013201420152016201720182019VersalAICoreVersalAIPrimeAgilexFAgilexI20202021VersalAIEdgeARTIXUltraSCALE+2022VersalAIPrimiumAgilexMAgilexDAgilexRFDirectARTIX7KINTEX7VIRETX7Zynq-7000KintexUltraScaleVirtexUltraScaleKintexUltraScale+SPARTAN7*ZynqUltraScale+MPSoCVirtexUltraScale+ZynqUltraScale+RFSoC▲$8%CycloneIII▲$20%StratixIV▲$20%CycloneIVStratixV▲$20%MAXVArriaVCycloneVArria10MAX10Cyclone1065nm28nm20nm-14nm10/7nm*注：SPARTAN7為28nm供應(yīng)鏈成本增加、業(yè)界需求持續(xù)高漲，頭部大廠漲價，國內(nèi)公司或?qū)⒓铀偬娲M程。Intel于2022年10月9日起對FPGA多數(shù)產(chǎn)品進行調(diào)價，其中新款漲價10%，舊款漲價20%。Xilinx計劃自2023年1月起將系列產(chǎn)品價格將上調(diào)8%，Spartan6系列產(chǎn)品價格將上漲25%，Versal系列產(chǎn)品價格不變。此輪漲價涉及國產(chǎn)廠商對標(biāo)的產(chǎn)品，有望加速國產(chǎn)替代。UserIO數(shù)量LatticeXO3XO3LF-////XilinxXC6SLX16/Altera//////安路科技：u公司是國內(nèi)領(lǐng)先的FPGA芯片供應(yīng)商，新品持續(xù)推出，成長空間打開。公司積極進行全新系列產(chǎn)品的開發(fā)，推進高性能FPGA產(chǎn)品、系統(tǒng)級FPSoC產(chǎn)品、車規(guī)級FPGA芯片等新產(chǎn)品系列及前沿技術(shù)研發(fā)，中高端PHOENIX系列占比進一步提升。公司推出新品SF1系列PSoC器件，該產(chǎn)品集成邏輯單元、存儲單元、視頻處理單元、RISC-VMCU硬核等資源，具有低功耗、高集成度和高靈活性等優(yōu)勢，主要用于視頻圖像接口轉(zhuǎn)換和工業(yè)控制交互。公司數(shù)款新產(chǎn)品進入測試階段，部分產(chǎn)品型號預(yù)計將在2022年下半年開始客戶導(dǎo)入。