產(chǎn)研 | 小芯片撬動大市場，國產(chǎn)FPGA乘風破浪正當時

FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)芯片，是在PAL(可編程邏輯陣列)、GAL(通用陣列邏輯)、CPLD(復雜可編程邏輯器件)等傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的半定制芯片，具有現(xiàn)場可編程性，既解決了半定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

與CPU、GPU、ASIC 等芯片相比，核心區(qū)別在于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，具有靈活、可快速開發(fā)、延遲低等優(yōu)點。特別適用于物理運算邏輯需要持續(xù)更迭的應(yīng)用中，廣泛用于視頻圖像處理、通信、嵌入式系統(tǒng)等行業(yè)。受5G滲透率提升、AI智能化推進以及汽車自動化等趨勢的不斷推進，F(xiàn)PGA市場需求強勁。

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年平均復合增長率為10.22%。

圖1：全球FPGA市場規(guī)模(億美元) （來源：國信證券經(jīng)濟研究所）

中國FPGA芯片市場規(guī)模在持續(xù)上升，從2016年的65.5億元增長至2020年的150.3億元，年復合增長率達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年復合增長率為17.1%，高于全球FPGA市場的10.85%。在國產(chǎn)化趨勢及市場強勁需求下，國產(chǎn)FPGA市場成長可期。

圖2：中國 FPGA 市場規(guī)模(億元) （來源：國信證券經(jīng)濟研究所 ）

國產(chǎn)FPGA廠商概況

<與非研究院>統(tǒng)計了當前國內(nèi)主要FPGA廠商基本情況，如下：

圖3：國內(nèi)主要FPGA廠商概況（來源：與非研究院）

圖4：國內(nèi)FPGA廠商地區(qū)分布情況（來源：與非研究院）

從城市分布來看，上海3家、廣東3家、北京1家、西安1家、成都1家、蘇州1家。對比2020年中國IC設(shè)計業(yè)規(guī)模最大的十個城市（按IC銷售額排名：深圳、上海、北京、杭州、無錫、西安、南京、武漢、珠海、蘇州），以及設(shè)計公司增速最高的十個城市（重慶、南京、杭州、蘇州、西安、上海、長沙、天津、武漢、無錫），F(xiàn)PGA企業(yè)主要分布于IC銷售額排名前列及增速較高地區(qū)，和設(shè)計產(chǎn)業(yè)規(guī)模集中度存在較高關(guān)系。

國產(chǎn)FPGA現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

多年來，全球FPGA市場處于格局固化狀態(tài)，全球前四大FPGA廠商Xilinx、Intel、Microchip、Lattice占據(jù)絕對地位。以下是天風證券研究所整理的2019年全球和中國市場的FPGA市場占有率，以及專利對比情況，可以看出，國內(nèi)FPGA廠商與國際領(lǐng)先水平懸殊較大。

圖5：2019年全球FPGA市占率（左）；2019年國內(nèi)FPGA市占率（右）

圖6：FPGA 廠商專利數(shù)對比（個）

當前，我國發(fā)展FPGA主要面臨技術(shù)、市場和生態(tài)等多方面挑戰(zhàn)。

2010年，賽靈思和Altera就推出了28nm工藝的FPGA工程樣片。而目前，國內(nèi)大部分企業(yè)還在28nm的研發(fā)中。紫光同創(chuàng)在2020年3月推出了28nm CMOS工藝的Logos-2系列首款FPGA芯片PG2L100H，密度為100K。從這個時間節(jié)點來看，國內(nèi)FPGA與國際領(lǐng)先水平相比，大約有十年的時間差。

不過，參照全球前四大FPGA廠商Lattice，也是在2019年底才發(fā)布其全新的28nm產(chǎn)品，并且，截止目前為止，國際廠商賽靈思的28nm產(chǎn)品仍然在全球被很多客戶使用。據(jù)推斷，28nm FPGA產(chǎn)品至少還有7-8年以上的生命周期，這也給國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品攻堅留有了一定的窗口期。但同時也須注意，工藝升級帶來的硬件性能提升還要在實際應(yīng)用中驗證，軟件和IP也還有很長的路要走。

在國際FPGA巨頭的布局中，軟件一直是發(fā)展的重點。對于國內(nèi)FPGA廠商來說，軟件是亟待突破的一大瓶頸，這對企業(yè)的綜合能力是一大挑戰(zhàn)。在開發(fā)新產(chǎn)品的同時，還需開發(fā)軟件工具、不斷維護IP和生態(tài)系統(tǒng)，對技術(shù)和資金儲備較弱的廠商來說難度較大。

在市場應(yīng)用方面，國產(chǎn)FPGA也面臨商業(yè)模式和生態(tài)上的痛點，關(guān)鍵在于如何迅速切入現(xiàn)存長尾市場中的高量細分市場。并且，需要圍繞FPGA的編程軟件、IP庫、EDA等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，補齊短板，完善生態(tài)構(gòu)建。

賽迪智庫指出，當前全球FPGA市場被國際巨頭壟斷，國內(nèi)廠商核心技術(shù)差距較大，在仿真器、集成度、核心IP(DSP、SerDes、ADC)、片上網(wǎng)絡(luò)(NOC)等方面積累很少，僅占4%的市場份額。同時，F(xiàn)PGA設(shè)計完成后，還需要將用戶程序編譯進去的特性，決定了FPGA的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化必須“軟硬兼施”，注重軟件工具的發(fā)展。

圖7：FPGA 廠商三大難題（來源：華西證券研究所）

國產(chǎn)FPGA主要應(yīng)用情況

我國FPGA市場需求量全球最大，占全球市場的30%以上，市場空間約為100億人民幣，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和接口、高性能視頻解碼等領(lǐng)域。國產(chǎn)FPGA過去多用于中低端市場，以LED控制、點鈔機等占據(jù)高利潤高出貨量，伴隨5G、AI、自動駕駛、醫(yī)療、工業(yè)等發(fā)展，未來具有較大的增長空間。

應(yīng)用案例一：LED控制

在LED控制系統(tǒng)領(lǐng)域，由于各廠商使用的傳輸接口類似，主控芯片類似，成本相近，系統(tǒng)性能相近，價格競爭較為激烈。行業(yè)需要新的控制架構(gòu)，以較低成本實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸、屏幕控制等要求。

安路科技的EF2 FPGA器件應(yīng)用在LED顯示模組，開發(fā)出低成本、可靠、智能的LED顯示模組。該模組更薄、數(shù)據(jù)傳輸EMI更小、能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控狀態(tài)并回傳?；贔PGA的系統(tǒng)和傳統(tǒng)的顯示模組相比，具備以下特點：

1、更高可靠性：燈驅(qū)合一，無排線，降低EMI。

2、更強適應(yīng)性：AST傳輸距離和傳輸速率可變，適應(yīng)不同點間距屏幕。

3、更加智能：實時反饋電壓，溫度，屏幕工作時間，帶壞點檢測與反饋。

4、更高性價比：提高系統(tǒng)集成度，簡化屏幕生產(chǎn)調(diào)試流程。

圖8：安路科技基于EF2 FPGA的智能LED模組硬件實物圖

應(yīng)用案例二：點鈔機

在國產(chǎn)化需求推動下，點鈔機選用國產(chǎn)FPGA實現(xiàn)快速圖像識別、接口對接等功能。多數(shù)要求芯片具備小封裝、低功耗、高性價比等特點。

下圖為易靈思T4 FPGA在點鈔機中的設(shè)計框圖，用于實現(xiàn)快速圖像識別、接口對接等。

圖9：易靈思T4 FPGA點鈔機設(shè)計框圖

應(yīng)用案例三：圖像處理

隨著信息化技術(shù)的不斷提升，給予了圖像處理更大的應(yīng)用可行性。從采集端到處理端，各應(yīng)用行業(yè)的需求不斷變化。在圖像采集和圖像處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA被用于保證復雜算法實現(xiàn)和算力要求，同時提升圖像傳輸?shù)膶崟r性，多用于視頻采集、圖像增強等方面。

圖10：智多晶官網(wǎng)應(yīng)用示例

應(yīng)用案例四：金融數(shù)據(jù)加速系統(tǒng)

證券交易領(lǐng)域，行情數(shù)據(jù)瞬息萬變，擁有更低的時延、更快的響應(yīng)，意味著能精準把握買賣機會和點位。FPGA技術(shù)與傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)相比，高性能、低延遲更有助于金融行業(yè)應(yīng)用開發(fā),能實現(xiàn)可預(yù)知的超低時延。金融加速卡將FPGA與金融行業(yè)進一步深度結(jié)合，為證券、期貨、基金公司等機構(gòu)用戶提供百納秒級的金融交易整體解決方案。

以下是中科億海微在金融數(shù)據(jù)加速系統(tǒng)中的應(yīng)用特點：

1、大容量的EQ6HL130型可編程邏輯芯片，安全自主可控；

2、超低時延，穿透延遲小于200ns；

3、高吞吐量，每秒處理吞吐量大于200萬條消息,支持多路行情轉(zhuǎn)發(fā)；

4、支持Level2行情快照實時生成、行情過濾、訂閱與補缺；

5、總功耗≤225W。

應(yīng)用案例五：工業(yè)控制

PLC作為設(shè)備和裝置的控制器，除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運動控制、安全控制功能之外，還承擔著工業(yè)4.0和智能制造賦予的以下任務(wù)：

1、越來越多的傳感器被用來監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過程的各類參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機架上，必須轉(zhuǎn)型為分布式I/O。

2、各類智能部件普遍采用嵌入式PLC，盡可能地在現(xiàn)場完成越來越復雜的控制任務(wù)。

3、應(yīng)用軟件編程的平臺化，進一步發(fā)展工程設(shè)計的自動化和智能化。

4、大幅提升無縫連通能力，相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)可直接網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至上位的各個系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至送往云端。

以下是京微齊力基于M7 FPGA的PLC解決方案，用于實現(xiàn)EtherCAT實時以太網(wǎng)協(xié)議。

圖11：京微齊力基于M7 FPGA的PLC解決方案

算力變革給FPGA帶來新機遇

根據(jù)IDC預(yù)測，從2018年至2025年，全球每年被創(chuàng)建、采集或復制的數(shù)據(jù)將增長5倍以上，預(yù)計將從2018年的32ZB增至2025年的175ZB，而中國將于2025年以48.6ZB的數(shù)據(jù)量及27.8%的占比，成為全球最大的數(shù)據(jù)匯集地。

一方面，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)級增長；另一方面，數(shù)據(jù)類型走向多元化，這都催生了基礎(chǔ)算力平臺的變革。賽迪智庫在研報中指出，人工智能等新興技術(shù)對于計算力的加速需求，遠遠超出了通用計算技術(shù)的發(fā)展水平。而FPGA的顯著優(yōu)勢就是能夠根據(jù)不同工作負載進行加速，這也使得它在算力變革來臨之時，迎來了新的發(fā)展機遇。

從Frost&Sullivan的數(shù)據(jù)來看，2017-2025年，F(xiàn)PGA下游應(yīng)用市場規(guī)模復合年均增長率從高到低排名，依次是：汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、消費電子、電子通訊。這些領(lǐng)域增長明確，發(fā)展空間廣闊，將成為未來幾年FPGA增長的核心驅(qū)動力。

圖12：FPGA下游應(yīng)用市場規(guī)模（來源:Frost&Sullivan）

在汽車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，國產(chǎn)FPGA廠商應(yīng)抓住機遇持續(xù)深耕，解讀如下：

汽車智能化、自動化

在智能化、聯(lián)網(wǎng)化、自動化等趨勢推動下，汽車電子對FPGA的需求主要來自于ADAS（智能感知系統(tǒng)）和自動駕駛。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。由于低延遲、更高的吞吐量和一致的計算效率，使得FPGA成為ADAS解決方案的重要組成部分。

汽車芯片是未來移動解決方案和自動駕駛的關(guān)鍵組成部分，當前已有汽車制造商提出新的混合計算架構(gòu)需求。這其中一個趨勢就是，通過通用處理器、專用硬件加速器和嵌入式FPGA的優(yōu)化交互，所組成的混合計算體系結(jié)構(gòu)能夠高效節(jié)能地分配必要的性能需求，再通過軟硬件協(xié)同設(shè)計，得出最優(yōu)的系統(tǒng)級組成。

汽車領(lǐng)域目前主要被國際FPGA產(chǎn)品占領(lǐng)。國內(nèi)FPGA廠商方面，以高云半導體為例，目前已有三款汽車級FPGA芯片，集中在4K和18K邏輯，主要應(yīng)用場景覆蓋智能座艙、360環(huán)視系統(tǒng)、智能后視鏡、車聯(lián)網(wǎng)、車載控制系統(tǒng)、安全駕駛等。

數(shù)據(jù)中心

伴隨AI而至的海量數(shù)據(jù)處理需求中，得益于并行性、低延時等優(yōu)勢，F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)中心主要用作加速處理。FPGA通常會與CPU搭配，起到加速卡的作用，把CPU的部分數(shù)據(jù)運算卸載至FPGA，部分實時處理/加速定制化的計算由 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，在中國銷售額將達到5.8億元，預(yù)計2025 年將增長至 12.5 億元，成長空間廣闊。此外，企業(yè)級工作負載加速應(yīng)用將繼續(xù)驅(qū)動FPGA的應(yīng)用，新的架構(gòu)正在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生及應(yīng)用，這是FPGA所面臨的藍海。

邊緣計算

計算從云向邊緣遷移是當前的確定趨勢。以往大量計算都放云端，隨著帶寬、安全需求以及邊緣側(cè)算力的提升，數(shù)據(jù)的處理方式在產(chǎn)生變化，需要適配不同場景下的計算需求。

尤其在5G和AI的雙輪驅(qū)動下，邊緣設(shè)備的智能程度大幅提高。從邊緣計算所處的物理環(huán)境來看，需求復雜多樣，空間、溫度、電源系統(tǒng)等方面往往有諸多限制，對低功耗、小尺寸有一定要求。但與此同時，又要求較高的實時性和計算能力。

FPGA兼具高計算性能和低延遲優(yōu)勢，低功耗FPGA更適合部署在邊緣側(cè)，滿足智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)同處理、5G通信基礎(chǔ)設(shè)施中的高帶寬信號橋接、以及ADAS系統(tǒng)中的傳感器接口橋接等需求。艾瑞咨詢在邊緣計算報告中指出，F(xiàn)PGA能夠更好地滿足邊緣側(cè)對性能、能耗及延遲的要求。對于一直在中低端市場積累的FPGA廠商，邊緣計算和他們的特長和目標有所契合，也是未來有望大幅增長的領(lǐng)域。

5G通信

5G通信對基站射頻芯片的連接速度、低延時、連接密度、頻譜帶寬的要求更高，且新增 Massive MIMO(大規(guī)模天線整列)技術(shù)、云RAN、新的基帶和RF架構(gòu)等5G關(guān)鍵技術(shù)，擁有較長的迭代升級過程和較大的技術(shù)不確定性。這使得市場初期很難快速推出成熟的 5G ASIC 芯片，從而為FPGA在5G領(lǐng)域的運用提供了較長的時間窗口。FPGA主要用在收發(fā)器基帶中，由于通道數(shù)的增加，計算復雜度增加，所用FPGA的規(guī)模也將增加。

國產(chǎn)FPGA發(fā)展方向

在上述主要應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)FPGA廠商貼近國內(nèi)市場的天然優(yōu)勢將進一步釋出。但與此同時，市場也對多核異構(gòu)、高端FPGA提出了更多要求。國內(nèi)FPGA廠商要抓住新興應(yīng)用帶來的紅利，需要貼近客戶、緊跟技術(shù)變化、著力提升產(chǎn)品競爭力。國產(chǎn)FPGA面臨持續(xù)技術(shù)升級的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下方面：

首先，國內(nèi)FPGA公司正在逐步進入28nm，瞄準中型FPGA市場，競爭將會逐漸激烈。國產(chǎn)FPGA可從兩個方向打造差異化優(yōu)勢：一方面集成更多的邏輯單元，提升邏輯密度；另一方面，向?qū)Ｓ们壹婢哽`活性的方向發(fā)展，針對特定細分場景進行優(yōu)化。

其次，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，更先進工藝、更高速電路結(jié)構(gòu)、復雜異構(gòu)SoC將是FPGA未來趨勢。目前國際主流FPGA芯片公司逐漸形成了在FPGA芯片中加入處理器的技術(shù)路線，并形成了可編程系統(tǒng)級芯片這一產(chǎn)物。與傳統(tǒng)FPGA芯片不同，系統(tǒng)級芯片的特點是單芯片高度集成了電子信息設(shè)備所需的CPU、FPGA、存儲接口、I/O 外設(shè)接口甚至AI專用引擎等所有模塊，單顆芯片可完成應(yīng)用場景所有功能需求。

圖13：復旦微電嵌入式可編程器件(PSoC)（來源:復旦微電公告）

根據(jù)復旦微電招股書，該公司高額研發(fā)主要用于 FPGA 及其系列芯片，F(xiàn)PGA 及其芯片業(yè)務(wù)研發(fā)投入連續(xù)多年超過 1.5 億元，占比超過30%。其中，2018 年投入最高的研發(fā)項目為億門級FPGA芯片，2019、2020 年則為基于FPGA的PSoC 芯片。PSoC可編程片上系統(tǒng)采用集成CPU和FPGA的新型架構(gòu)，既可以充分利用FPGA的并行處理能力，又可以靈活運用CPU的控制能力。在億門級FPGA芯片成功實現(xiàn)量產(chǎn)銷售后，該公司正在積極布局PSoC賽道，這也將成為其他國內(nèi)FPGA廠商發(fā)展的方向。

盡管國內(nèi)廠商在技術(shù)水平、成本控制能力、軟件易用性等方面都與頭部FPGA廠商存在較大 的差距。但隨著我國集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)在 FPGA 領(lǐng)域不斷加大研發(fā)投入和人才培養(yǎng)力度，未來，國產(chǎn)FPGA 有望縮小與國際先進水平差距，并在行業(yè)整體規(guī)模上升與進口替代加速的雙輪驅(qū)動下，實現(xiàn)業(yè)績和規(guī)模的進一步增長。