FPGA芯片行业深度研究新领域打开新空间，产品力提升加速国产化

　　（报告出品方：中信建投证券）一、FPGA芯片简介与技术要点
　　FPGA芯片简介
　　逻辑器件（数字芯片）可以大致分为标准器件和定制芯片两类，一般越偏向定制，逻辑器件的性能（速度）、集成度（门数）和设计 自由度等方面越有优势，但设计、制造相关的开发费用越高，从下单到出货的周转时间也越长。其中，标准器件中有一类逻辑器件被 称为可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD），FPGA是PLD的一种，其比以往（狭义）的PLD设计自由度更高，并有近似 于门阵列的构造，故被命名为FPGA（ Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）。 FPGA最早由Xilinx于1985年推出首款产品，目前其制造工艺已经达到7nm。
　　FPGA芯片原理与组成
　　FPGA由可编程的逻辑单元（Logic Cell，LC）、和外部进行信 号交互的输入输出单元（Input Output Block，IO）、连接前两 种元素的开关连线阵列（Switch Box，SB）三个部分构成。
　　FPGA的逻辑单元通过数据查找表（look-up table，LUT）中存 放的二进制数据来实现不同的电路功能。LUT本质上是一种静 态随机存取存储器（SRAM），其大小由输入端的信号数量决 定，常用的查找表电路是四输入查找表（LUT4）、五输入查找 表（LUT5）和六输入查找表（LUT6）。查找表输入端越多， 可实现逻辑电路越复杂，因此逻辑容量越大。
　　由布尔代数理论可知，对于一个n输入的逻辑运算，不论是何种 门运算，最多只有2 n种结果，因此若事先将相应结果存放于存 储单元，则相当于实现了逻辑电路功能。一般k输入的查找表由 2 k个SRAM单元和一个2 k输入的数据选择器组成。查找表的输 入就是内存表的地址信号，输出就是该地址所选字的1位数据。 k输入的查找表可以实现2 2 k种逻辑函数。FPGA通过烧写文件配 置查找表的内容，从而在相同的电路下实现不同的逻辑功能。
　　FPGA芯片可编程特性
　　FPGA最大的特性是现场可编程性。CPU、GPU、DSP、Memory及各类ASIC芯片在被制造完成之后，其功能就已被固定，用户无法对 其硬件功能进行任何修改，而FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定，用户可以根据实际需要，将设计的电路通过专用EDA软件对 FPGA芯片进行功能配置，从而将空白的FPGA芯片转化为具有特定功能的集成电路芯片，且可以进行多次不同功能配置。
　　闪存、反熔丝和静态存储器是现代FPGA常用的可编程技术。FPGA通过可编程的开关来控制电路结构从而实现可编程性。这种＂可编 程＂的开关通常使用多种半导体技术实现，FPGA历史上使用过EPROM、EEPROM、闪存、反熔丝和静态存储器（SRAM）等，其中闪 存、反熔丝和静态存储器是现代FPGA常用的可编程技术，目前国内公司大部分使用基于静态存储器的可编程技术。
　　FPGA芯片可编程特性原理——静态存储器作为可编程开关
　　静态存储器由两个CMOS反相器构成的触发器和两个传 输晶体管（Pass-Transistor，PT）组成。静态存储器利用 触发器的双稳态（0和1）记录数据，而数据的写入通过 PT进行，PT使用nMOS型晶体管。
　　静态存储器通常根据地址信号来驱动字线，数据的读取 也通过PT。因此可以将存储单元输出的到th 间的高 电位通过读取放大器放大后输出。但是，由于FPGA需要 一直读取数据，所以在FPGA中数据是直接从触发器读取 而非通过PT。
　　采用静态存储器作为可编程开关的FPGA大多在逻辑块中 使用查找表（LUT），并使用数据选择器等来切换布线 连接。查找表的存储器中保存的就是逻辑表达式的真值 表本身，由多位的静态存储器构成。另外，控制数据选 择器连接的选择信号也和静态存储器相连。这种FPGA 一般称为SRAM型的FPGA，是目前的主流类型。
　　FPGA高容量带来高性能
　　FPGA芯片以包含LUT的可编程逻辑单元LC为基本逻辑单元设计电路，CPU/GPU/ASIC等芯片使用专用数字器件库来设计电路。完成同 样的代码，FPGA需要的晶体管数量更多，导致其主频较低。从数据对比来看，FPGA的主频（<500MHz）相比CPU、GPU（1-3GHz） 存在较大差距。
　　FPGA芯片的并行计算的性能由其容量来提供，高容量的FPGA允许部署更多的处理电路，因而带来了更高的处理性能。在容量方面， LUT数量、DSP数量、RAM数量和User IO数量是重要的技术指标，其中LUT数量是FPGA芯片容量的基础性指标。其次，制造工艺、 DSP工作频率、动态功耗、SerDes速率和DDR3/DDR4速率等是FPGA芯片重要的技术指标。
　　先进工艺对FPGA容量提升贡献最大
　　FPGA自诞生来紧随工艺的发展路线，不断使用最先进的制程工艺推出新产品，这主要是由于更先进的制程可以实现更低功耗、更快反 应速度、单位面积更多晶体管数量，从而使得芯片性能更佳。
　　2005年后FPGA和ASIC的工艺制程差距逐渐拉大，FPGA和通用处理器一样紧随工艺发展脚步每两年更新一次，而ASIC近十年除游戏主 机等一部分应用外，大多数产品仍在130-90nm制程，FPGA所采用的工艺比ASIC领先三四代。
　　Xilinx的FPGA产品有Spartan系列、Artix系列、Kintex系列、Virtex系列，产品工艺主要是45nm、28nm、20nm、16nm。对比Xilinx不同产 品的容量不难发现，对于同一系列产品，工艺越先进，对应产品容量越高。二、FPGA产业现状与发展机遇
　　全球FPGA市场直指百亿美元广阔空间
　　FPGA近百亿美元广阔市场，受益于数据中心和AI等应用，未来5年增长加速。随着数据中心建设，人工智能和自动驾驶等新兴市场的 加速发展，FPGA需求将持续增长。根据Gartner预测，2020-2026年全球FPGA出货量从5.11亿颗增至8.25颗，CAGR为8.3%；FPGA市场 规模从55.85亿美元增至96.9亿美元，CAGR为9.6%。
　　中国FPGA市场规模快速增长
　　近几年中国FPGA市场持续扩大增长，整体增速领先全球。根据Frost&Sullivan测算，2020年中国FPGA出货量达到1.6亿颗，市场规模达 到150.3亿元。随着国内AI应用的快速发展以及国产替代进程的进一步加速，中国FPGA市场需求量有望以领先全球的速度持续扩大， Frost&Sullivan预计2021-2025年，中国FPGA芯片出货量将从1.9亿颗增至3.3亿颗，CAGR约为15.0%；市场规模将从176.8亿元增至332.2 亿元，CAGR约为17.1%。
　　FPGA下游覆盖领域广泛，通信和工业为主要应用市场
　　通信和工业为最大下游市场，汽车市场份额保持上升趋势。从下游应用市场来看，通信和工业市场份额位居FPGA芯片一二位，同时通 信市场份额有望持续提升，而工业市场则呈小幅下降趋势。全球军工、航天FPGA应用市场份额稳定在15%左右。汽车为增长最快速的 下游市场，Gartner预计其市场份额将由2020年的5.9%增至2026年的12.3%。消费电子预计将是FPGA芯片份额最小的下游市场，主要是 因为FPGA虽然以其灵活性适宜于消费电子快速迭代的节奏，但在具有显著规模效应的消费电子市场，FPGA相比ASIC的成本劣势明显 。因此从生命周期来讲，FPGA的应用具有一定局限性。
　　通信是当前FPGA最大的下游市场，未来保持高于平均的增速
　　通信是目前FPGA规模最大的应用市场，且随着通讯技术持续的迭代，FPGA应用优势逐步扩大，市场需求仍将保持高增长。未来几年 国内外通信FPGA市场规模的复合年增长率均高于FPGA整体，通信市场的应用份额也将稳中有升。根据Gartner数据，2026年全球通信 FPGA芯片市场规模将达到32.3亿美元，2020-2026年CAGR为10.4%。Frost&Sullivan预测2025年中国通信应用的FPGA芯片市场规模将达 到140.4亿元，2021-2025年CAGR约17.5%。
　　工业制造智能升级，FPGA或将成为产业快速发展的迭代手段
　　在加速转型的工业领域，FPGA大有取代ASIC的趋势。工业4.0是德国与工业界为制造业制定的未来蓝图，也是工业转型升级的指路明 灯。工业4.0的大部分应用场景对边缘智能的硬件加速提出了新的需求，要求更低延迟的数据处理能力。另一方面，新设备需要具有可 重新编程的能力，以应对标准或者协议的演变。此外，智能工厂的建立离不开大数据处理及AI技术的应用。FPGA提供灵活的解决方案 ，因此大有取代ASIC的趋势，特别是在工业通讯、电机控制、机器视觉、边缘计算、工业机器人等应用场景。三、FPGA国内外公司现状
　　Xilinx与Intel主导市场，国产厂商已取得突破
　　海外厂商主导全球FPGA市场，Xilinx和Intel形成双头垄断。全球的FPGA主要供应商包括Xilinx、Intel、Lattice和Microchip等海外芯片 设计公司，其中Xilinx优势最为明显。根据Gartner统计数据，以收入口径，2021年Xilinx、Intel、Lattice和Microchip的市占率分别达51% 、29%、7%和6%。
　　国内企业持续加大FPGA芯片的研发布局，通过自身技术的突破来满足本土客户的应用需求。目前国内主要的FPGA厂商有紫光国微（ 含紫光同创）、复旦微电、安路科技等，上述公司2021年在国内市场共占据16%的市场份额，其中安路科技和紫光同创产品结构偏向消 费电子、工业控制和通讯等民用领域。
　　中低容量和成熟制程FPGA满足当前市场主流需求
　　500K以下逻辑单元FPGA占主导。按逻辑单元拆分，目前100K以下逻辑单元的FPGA仍是市场需求量最大的部分，其次为100K-500K逻 辑单元部分。根据Frost & Sullivan，中国市场2019年以销售额计，100K逻辑单元以下的FPGA占据了38.2%的市场份额，100K-500K逻辑 单元的FPGA占据了31.7%的市场份额。
　　28nm-90nm工艺制程FPGA占主导，具有较高性价比。按制程拆分，目前28nm-90nm制程区间内的FPGA由于其较高的性价比，与较高 的良品率依然占据了市场的主要地位。此外，由于先进制程产品具有更低功耗与面积和更高的性能，28nm以下制程的FPGA预计将快速 发展。根据Frost & Sullivan，中国市场2019年以销售额计，28nm-90nm制程的FPGA占据了63.3%的市场份额，28nm以下制程的FPGA占 据了20.9%的市场份额。
　　Xilinx：全球领先的FPGA解决方案供应商
　　2022财年营收恢复高速增长，数据中心领域增长亮眼。目前Xilinx为全球最大的FPGA供应商，2021财年营收规模31.5亿美元，同比下 滑主要受新冠疫情影响。2022财年前三季度公司重拾高速增长，营收同比增长23%。从收入结构来看，AIT（国防、工业等）和通信是 主要营收来源，2021年占比分别为44%和30%。从各下游市场增速来看，AIT保持稳定增速，数据中心增长最快，通信业务受贸易限制 和5G部署延迟等因素而出现下降。
　　Altera携手Intel，探索异构计算新领域
　　Intel收购Altera，FPGA业务当前战略转向协同Intel巩固数据中心领导地位。Altera成立于1983年，为全球第二大FPGA供应商。2015年 Altera被Intel收购后划为PSG事业部(Programmable solution group)，2022年起PSG事业部并入DCAI事业部(Datacenter and AI Group）。 DCAI致力于使用英特尔的顶级服务器CPU和FPGA开发数据中心产品，这意味着未来Intel的FPGA业务或将聚焦于数据中心、人工智能 等高端应用场景。
　　Lattice把握核心市场需求景气机遇，2021年步入高增长通道
　　公司营收保持增长趋势，2021年以来增速提升。2018年至今，公司营收维持逐年增长态势。2021年起公司营收开始快速增长，同比增 速达到26.3%，实现营收5.2亿美元。2022Q1-Q3公司实现营收4.8亿美元，同比增长29.7%。
　　通信/计算、工业/汽车领域营收高成长，消费营收占比逐步收缩。按下游市场划分营收结构，公司收入主要来源于通信/计算、工业/汽 车两大领域，2021年营收分别达到42%和44%。同时，受益于5G建设、工业自动化、智能座舱等需求的高增长，上述领域自2020年以来 保持两位数以上增速。消费领域前期的疲软主要源于市场需求减弱，以及公司更加聚焦于营收主力市场，尽管2021年消费营收有所增 长，但营收占比由2019年的19%下降至2021年的10%。四、FPGA行业投资分析与盈利预测
　　国产替代空间大，长期看好国内FPGA厂商
　　民用市场：从下游行业角度来看，Lattice预计有60亿美金目标市场，这也是国内FPGA厂商发展的路径，同时这些行业本身还有不断迭 代的新增需求。Lattice预计2024年全球小型FPGA和中型FPGA市场规模分别为22亿美元和25亿美元，合计市场份额61.0%，占据市场主 体。国内FPGA厂商可以参考Lattice的路径，早期基于小型和中型FPGA，逐步拓展到大型FPGA。
　　特种市场：出于国家安全考量，特种应用领域自主可控的重要性排在首要位置，预计在部队信息化和装备国产化的双轮驱动下，特种 FPGA国产化率进程将领先于民用市场，国内供应商将迎来发展机遇。
　　自主可控提振需求端，国产替代空间巨大
　　中国为国际大厂最大营收贡献地，为国内厂商留下充足替代空间。目前Xilinx和Lattice的最大营收地区全部来源于中国，占比分别为3 成和5成，国内厂商对应可替代的市场空间充足。 随着摩尔定律放缓，头部厂商跟随先进工艺的速度也随之下降，给国内企业追赶提供时间窗口。 FPGA下游市场为通信、工控、汽车、数据中心、特种应用领域，均有较强的自主可控需求，国内FPGA厂商成长空间广阔。
　　国内厂商产品质量已获认可，产品矩阵有较大扩展空间
　　国内外FPGA厂商在产品丰富度与技术实力存在差距，国内厂商还有巨大提升空间。首先在14nm及以下的先进制程产品区间，国内公 司还处于空白阶段。对比同为28nm制程的产品系列，国内公司的产品矩阵丰富度不及海外巨头，同时国内产品在性能上也有一定的差 距，例如逻辑容量和SERDES速率。以安路科技高端产品PHOENIX1系列为例，招股说明书中将PH1A100对标Xilinx Artix7系列的 XC7A100T，而XC7A100T在XIlinx7系列产品中属于中等偏下水平。报告节选：
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　　精选报告来源：【未来智库】。「链接」