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一、FPGA芯片簡介與技術(shù)要點

FPGA芯片簡介

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（Programmable Logic Device，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-Programmable Gate Array，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(dá)到7nm。

FPGA芯片原理與組成

FPGA由可編程的邏輯單元（Logic Cell，LC）、和外部進(jìn)行信 號交互的輸入輸出單元（Input Output Block，IO）、連接前兩 種元素的開關(guān)連線陣列（Switch Box，SB）三個部分構(gòu)成。

FPGA的邏輯單元通過數(shù)據(jù)查找表（look-up table，LUT）中存 放的二進(jìn)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(jī)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(yùn)算，不論是何種 門運(yùn)算，最多只有2 n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 2 k個SRAM單元和一個2 k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)2 2 k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芯片可編程特性

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)。

FPGA芯片可編程特性原理——靜態(tài)存儲器作為可編程開關(guān)

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(jìn)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到th 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(dá)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高容量帶來高性能

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User IO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)。

先進(jìn)工藝對FPGA容量提升貢獻(xiàn)最大

FPGA自誕生來緊隨工藝的發(fā)展路線，不斷使用最先進(jìn)的制程工藝推出新產(chǎn)品，這主要是由于更先進(jìn)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(jī)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(jìn)，對應(yīng)產(chǎn)品容量越高。

二、FPGA產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)遇

全球FPGA市場直指百億美元廣闊空間

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%。

中國FPGA市場規(guī)模快速增長

近幾年中國FPGA市場持續(xù)擴(kuò)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(dá)到1.6億顆，市場規(guī)模達(dá) 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(jìn)程的進(jìn)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(kuò)大， Frost&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%。

FPGA下游覆蓋領(lǐng)域廣泛，通信和工業(yè)為主要應(yīng)用市場

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。

通信是當(dāng)前FPGA最大的下游市場，未來保持高于平均的增速

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(kuò)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(dá)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(dá) 到140.4億元，2021-2025年CAGR約17.5%。

工業(yè)制造智能升級，F(xiàn)PGA或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的迭代手段

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(lán)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(jī)控制、機(jī)器視覺、邊緣計算、工業(yè)機(jī)器人等應(yīng)用場景。

三、FPGA國內(nèi)外公司現(xiàn)狀

Xilinx與Intel主導(dǎo)市場，國產(chǎn)廠商已取得突破

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(dá)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。

中低容量和成熟制程FPGA滿足當(dāng)前市場主流需求

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(jìn)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。

Xilinx：全球領(lǐng)先的FPGA解決方案供應(yīng)商

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。

Altera攜手Intel，探索異構(gòu)計算新領(lǐng)域

Intel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(Programmable solution group)，2022年起PSG事業(yè)部并入DCAI事業(yè)部(Datacenter and AI Group）。 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。

Lattice把握核心市場需求景氣機(jī)遇，2021年步入高增長通道

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(dá)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(dá)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%。

四、FPGA行業(yè)投資分析與盈利預(yù)測

國產(chǎn)替代空間大，長期看好國內(nèi)FPGA廠商

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(jìn)程將領(lǐng)先于民用市場，國內(nèi)供應(yīng)商將迎來發(fā)展機(jī)遇。

自主可控提振需求端，國產(chǎn)替代空間巨大

中國為國際大廠最大營收貢獻(xiàn)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(jìn)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(qiáng)的自主可控需求，國內(nèi)FPGA廠商成長空間廣闊。

國內(nèi)廠商產(chǎn)品質(zhì)量已獲認(rèn)可，產(chǎn)品矩陣有較大擴(kuò)展空間

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(jìn)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)Xilinx Artix7系列的 XC7A100T，而XC7A100T在XIlinx7系列產(chǎn)品中屬于中等偏下水平。

報告節(jié)選：

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