FPGA行業特點、驅動因素及格局如何？

技術壁壘高，國產替代空間廣闊。

1.特點：半定制電路，現場可編程

FPGA特點：作為一種半定制電路，最大的特點就是現場可編程。FPGA芯片由 邏輯單元（LC）、輸入輸出單元（IO）和開關連線陣列（SB）三部分構成。邏輯單 元通過數據查找表（LUT）中存放的數據來實現不同的電路功能，本質是一種靜態隨 機存取存儲器（SRAM），大小由輸入端的信號數量決定。查找表輸入端越多，可以 實現的邏輯電路越復雜，邏輯容量越大。FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定， 用戶可以根據自己的實際需要，將自己設計的電路通過FPGA芯片公司提供的專用 EDA軟件對FPGA芯片進行功能配置，從而將FPGA芯片轉化為具有特定功能的集成 電路芯片，因此得名“現場可編程”。CPU基于馮諾伊曼原理，將所有的任務分成 各種指令和數據，然后進行先進先出的串行計算，FPGA與CPU相比并沒有指令集， 其計算規則使其并行計算能力強。

主要優勢：FPGA兼具靈活性和并行性，平衡成本和算力。相比于ASIC，FPGA 兼具軟件的靈活性和硬件的并行性，在成本和算力之間取得平衡。成本端，采用FPGA 可以避免前期高額的流片成本和掩膜成本等NRE費用。此外，FPGA可編程的特點在 新工藝、新型號產品推進時僅需改寫電路結構，無需重新研發新的適用芯片，節省成本的同時大大縮短開發周期，在新項目推進上具有優勢。算力端，CPU的執行單 元需按順序通過取指、譯碼、執行、訪存以及寫回等一系列流程完成數據處理，從而 產生任務延時。而FPGA各硬件邏輯可同時并行工作，大幅提升數據處理效率。尤其 是在執行重復率較高的大數據量處理任務時，FPGA相比CPU具有明顯優勢。

發展趨勢：高集成度趨勢也推動FPGA芯片發展為FPSoC。FPSoC（現場可編 程系統級芯片）指將整個“系統”放置在芯片上的FPGA，系統至少集成了CPU和傳 統FPGA陣列的功能。業界對該產品有不同命名，安路科技該類產品為FPSoC，Xilinx 稱其為Zynq SoC/MPSoC/RFSoC/ACAP Platform，Intel稱其為SoC FPGA。 應用領域：FPGA的特性使其在以下場景具備優勢而被廣泛應用。（1）技術迭 代快、上市周期短的領域：如5G通信、部分消費電子等。（2）小批量專用領域：如 航空與航天、國防軍工、工業與檢測、測試與測量等特種領域。（3）迭代頻繁、技 術路徑尚不確定的領域：如AI、智能駕駛、數據中心等。

2.空間：多應用場景驅動FPGA成長空間廣闊

多元應用場景和技術的不斷升級推動FPGA量價均有一定提升。數量上看，一是 部分領域單個終端用量增加，如5G通信基站中FPGA芯片用量上升；二是體現在下 游應用擴展帶來量增，如數據中心、汽車電子等新興市場，以及傳統市場中新增需 求，如新增消費市場的投影儀、激光打印機等應用。價值量上看，FPGA由65~28nm 逐漸向更先進制程推進，目前國際領先FPGA芯片公司已實現7nm制程芯片的量產出 貨。其次，FPGA向更大容量、更高速電路結構、復雜異構SoC系統發展方向發展， 并且不斷集成AI引擎、IO外設接口等功能，整體價值量的提升有助于推動ASP提升。

量價結合，驅動全球FPGA市場成長為超100億美金賽道。根據公司招股書引用 的Frost&Sullivan數據，2020年全球FPGA芯片市場規模達60.8億美元，預計2025年 將增長至125.8億美元，CAGR約15.7%。隨著我國新基建的投入以及人工智能等新 應用領域崛起，國內FPGA市場也快速發展，2021年我國FPGA芯片市場規模達到約 177億元，預計2025年達到332.2億元，CAGR達17.2%，成長性較好。

網絡通信市場穩定增長，AIoT和人工智能領域提供增長新動能。網絡通信是 FPGA下游應用最大的細分市場。根據招股書引用的Frost&Sullivan的數據，2019年 中國FPGA市場規模約129.6億元，其中通信市場規模達53.1億元，約占總市場規模 的40%；工業控制領域FPGA市場規模達41.5億元，約占市場規模的30%。從細分市 場成長性來看，通信、工控、汽車電子等領域都保持較好的成長性。

通信領域：通信系統中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，這些濾波 函數往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片的分布式邏輯和運算結構使得各邏輯 單元可并行工作，從而實現通信過程中大量的高速數字信號處理功能。同時，網絡 通信擁有較長的迭代升級過程，比如基站的邏輯鏈路層、物理層的協議部分需要定 期更新，也適合使用FPGA芯片。當前，5G系統方案尚在完善優化，為FPGA在通信 領域的應用提供了較好的時間窗口。FPGA芯片目前被大量應用在無線通信和有線通 信設備中，實現接口擴展、邏輯控制、數據處理、單芯片系統等各種功能。

工控領域：受益于工業智能化、無人化的發展趨勢，FPGA芯片高效能、實時性、 高靈活性的特點使其在工業領域得到了廣泛應用。工控領域的伺服系統控制算法和 控制精度要求日益增高，FPGA由于其功能強、速度快、靈活性大、設計周期短等特 性也廣泛應用到工業伺服、安防AI攝像頭、數控機床、工業機器人等領域。

消費電子：FPGA芯片的可編程特性和開發周期較短等特點，能夠較好匹配消費 電子產品迭代周期快、新產品開發時間要求高的需求。消費電子市場對于產品的成 本和功耗要求較為嚴苛。為突顯產品的差異化，將創新功能引入到產品中，且盡可 能地避免復雜功能為應用處理器帶來更高的功耗，消費電子廠商目前形成了一種類 似協處理器、功能簡單、功耗低、性價比高的解決方案，該方案將FPGA芯片作為主 要芯片之一，為FPGA芯片在消費類電子市場的發展提供了良好機遇。比如安路科技 的SF1系列FPSoC就可用于消費電子領域的對大量的圖像和視頻處理和接口轉換有 需求的LCD顯示屏場景。

3.格局：歐美龍頭領先，國產替代趨勢加速

國內外市場均呈現大廠Xilinx和Intel占據主導市場格局。國際大廠Xilinx和Intel （Altera）兩大龍頭企業在技術和客戶端都擁有深厚的積累，兩家占據絕大部分份額。根據招股書引用的Frost&Sullivan數據，2019年以銷售額口徑統計，前兩大FPGA廠 商Xilinx和Intel（Altera）在全球市場市占率分別為52%和34%，在國內市場市占率分 別約55%和36%，本土廠商整體市占率不足5%，國產替代空間廣闊。本土FPGA芯 片公司中，復旦微電、紫光同創和安路科技身位領先。復旦微電的FPGA芯片主要應 用于高可靠特種領域，紫光同創主要布局網絡通信領域，安路科技的下游應用相對 廣泛，主攻通信、工控領域的同時，并積極拓展消費電子和數據中心等領域。

我們認為，國內FPGA廠商的發展機遇主要來自：（1）上下游產業鏈更趨完善； （2）摩爾定律放緩給本土FPGA廠商帶來追趕空間；（3）中美貿易摩擦和缺芯影響 供應鏈偏好，國產替代需求迫切且空間廣闊。具體而言如下： 產業鏈上下游漸趨完善：上游的EDA軟件廠商、Fab代工廠都有了較快發展。下 游本土客戶群也在不斷壯大。需求端有足夠多的本土客戶，尤其是本土發展出像華 為、中興等通信大客戶和匯川等工控大客戶有利于擴展國產替代空間；

摩爾定律放緩帶來追趕空間：盡管國際大廠Xilinx和Intel(Altera)的已經走到了 7nm等先進制程，但是其對先進制程需求較大的產品集中在100k以上的數據中心、 通信、汽車、視頻處理等應用領域。如Intel的7nm的Agilex系列、以及Xilinx的7nm Versal系列、以及14/16nm的UltraScale+系列等。根據Frost&Sullivan數據，2019年 中國FPGA市場28nm及其以上制程仍占約80%的份額，因此目前產品集中于成熟制 程的本土廠商仍有較廣闊的發展空間。

從競對趨勢看，FPGA市占前二廠商Altera和Xilinx分別于2021年5月和2022年2 月被Intel和AMD收購，收購后一定程度上會配合母公司產品結構和戰略，長期來看， 對一些細分市場，尤其是對較低邏輯單元容量的中低端市場重視度或會相對不足。 Xilinx年報數據表明，Xilinx的核心產品主要以40nm及其以上的Virtex-6/5/4、Spartan6等系列產品構成，近年來Xilinx的核心產品營收占比逐年降低。

中美貿易摩擦加速國產替代進程。FPGA的生命周期通常較長，客戶適應全新 FPGA與其配套EDA軟件需要較多的時間成本和人力成本，如非必要，客戶替換動力 不強勁。以Xilinx出的7系列FPGA為例，AMD表示產品生命周期至少延長到2035年， 總共提供了長達25年的產品支持壽命。近年來，FPGA領域的國產替代趨勢也在加速。 中美貿易摩擦和本輪歷史級缺芯一定程度改變了供應鏈偏好，供應鏈本土化和穩定 性得到重視。我國頭部FPGA企業在消費電子、工控和通信等中小容量產品的領域已 率先實現抓住國產替代機遇，近年來不斷導入本土客戶，實現部分國產替代。 從可替代空間來看，中國FPGA市場可替代空間廣闊。根據Xilinx和Lattice財報 披露的來自中國地區的營收統計，2021年，Xilinx和Lattice來自中國地區營收超13億 美金，整體來看，替代空間廣闊。

從替代節奏看，本土廠商首先從28nm以上及100k以下邏輯規模的芯片切入市 場，后續逐步擴展邏輯單元容量與下游應用場景。按制程工藝拆分，28-90nm制程的芯片因為較高的性價比和良率，占據了國內市場的主要份額；28nm以下制程芯片 受益于低功耗和高性能的特點，滿足了各領域高端市場的需求，預計將快速發展。 按邏輯容量拆分，100K以下邏輯單元芯片仍是中國市場需求量最大的應用。本土領 先廠商首先從成熟制程及中低邏輯規模的芯片進入市場，后續可持續加碼研發先進 制程和中高邏輯容量產品。