FPGA定義、優勢、市場規模、格局及壁壘分析

FPGA市場空間廣闊，FPGA軟硬件生態系統建立極高的行業壁壘。

1.什么是FPGA？

FPGA 的主要特點是門陣列、可編程和現場。FPGA（Field Programmable Gate Array） 是現場可編程門陣列，FPGA 是邏輯芯片的一種，它的主要特點是門陣列、可編程和現場。FPGA 最主要的組成部分是大量的邏輯門陣列，FPGA 的邏輯門是通過查找表（Lookup-Table，LUT） 的方式實現的；FPGA 的最小邏輯單元包括查找表、寄存器、選擇器、算數運算單元等，英特 爾將最小邏輯單元稱為 ALM（自適應邏輯單元），Xilinx 稱之為 CLB（可配置邏輯模塊）；通過 對邏輯門陣列的排列組合，可以得到基于邏輯門的運算單元，進一步可以設計更復雜的功能模 塊，最終實現特定功能的 IP；大部分數字芯片都是通過使用不同功能的 IP，實現特定的邏輯功 能。

現場可編程能力使得 FPGA 具有極高的靈活性。FPGA 的可編程性是指可以對邏輯陣列進行編程，從而改變 FPGA 實現的邏輯功能；用戶對專用芯片的編程主要是通過改變芯片上的寄 存器配置實現的，這并不會改變芯片的主要功能，而 FPGA 可以對邏輯門陣列進行重復編程， 使得 FPGA 可以在邏輯層面改變自身的硬件結構，靈活性極高。最后，FPGA 的“現場”編程 能力是指 FPGA 可以在使用時進行編程，無須將芯片拆下返回生產廠家進行編程。FPGA 是一 種包含大量邏輯門陣列的芯片，可以現場通過編程改變自身的硬件邏輯，理論上可以實現任何 數字電路的功能。

FPGA 和 ASIC 各有優勢，FPGA 在現場可重復編程能力、更短的產品上市時間、項目周 期可預測性更強、在小批量上成本低等方面具有優勢。專用集成電路（ASIC）是一種為專門目 的而設計的集成電路，ASIC 的特點是面向特定用戶的需求，ASIC 在批量生產時與通用集成電 路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性高、性能高、保密性強、成本低等優點。FPGA 是作 為 ASIC 領域中的一種半定制電路而出現的，解決了 ASIC 的不足和原有可編程器件門電路數 量有限的缺點。相比于 ASIC，FPGA 最大的優勢是通過現場可編程來實現任意我們需要的數 字功能組合，FPGA 設計在更短的產品上市時間、項目周期可預測性更強、在小批量上成本低、 可并行工作提高效率等方面具有優勢。

FPGA 和 ASIC 的使用要根據產品的定位和設計需求來進行選擇。ASIC 產品適用于設計 規模特別大或技術非常成熟的芯片，如 CPU、DSP、存儲器等；而 FPGA 產品適用于設計規 模適中，產品要求快速占領市場或產品需要靈活變動的特性設計等方面的產品，如無線通信設 備和部分的接口轉換芯片等。

2.全球FPGA市場規模達百億美元，應用領域不斷拓展驅動未來成長空間廣闊

應用領域不斷拓展驅動 FPGA 市場未來成長空間廣闊。由于 FPGA 芯片的現場可編程能 力帶來的靈活性和以及不斷提升的芯片性能，下游應用領域不斷拓展，主要包括工業控制、網 絡通信、消費電子、數據中心、汽車電子、人工智能等領域，這些領域均具有一定的成長性， 驅動 FPGA 市場未來成長空間廣闊。 全球 FPGA 市場規模達百億美元，中國 FPGA 市場加速增長。根據 Frost&Sullivan 的數 據，2020 年全球 FPGA 市場規模約 60.8 億美元，預計全球 FPGA 市場規模將從 2021 年的 68.6 億美元增長至 2025 年的 125.8 億美元，年均復合增長率約為 16.4%。近幾年中國 FPGA 市場持續加速增長，根據 Frost&Sullivan 數據，中國 FPGA 市場 2020 年的市場規模約 150.3 億元，預計 2025 年中國 FPGA 市場規模將達到 332.2 億元，復合增速為 17.2%。

中國 FPGA 市場下游以通信和工業領域為主，人工智能、汽車電子、數據中心等新興領域 引領行業增長。根據 Frost&Sullivan 數據，中國 FPGA 市場 2020 年的市場規模約 150.3 億 元，其中通信行業市場規模為 62.1 億元，占比 41.32%，是國內最大的下游市場；工業行業市 場規模為 47.4 億元，占比 31.54%；中國 FPGA 市場通信和工業領域占比超過 70%，是國內 FPGA 廠商進行國產替代最主要的領域；其他市場規模相對較小，數據中心占比 10.71%、汽 車電子占比 6.32%、消費電子占比 6.25%、人工智能占比 3.86%，近幾年新興市場加速發展， 下游應用場景對數據處理能力有更高需求，FPGA 在人工智能、汽車電子和數據中心等新興市 場的拓展進一步引領行業增長。

工業智能化、無人化趨勢推動 FPGA 在工業領域廣泛應用。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，FPGA 大量應用在伺服控制、機器視覺、工業機器人、智能電網、軌道交通等領域實現信號控制和運 算加速功能。中國 FPGA 工業市場規模達百億元，工業是 FPGA 的主要下游應用領域之一。工業是 FPGA 的主要下游應用領域之一，根據 Frost&Sullivan 的數據，2020 年中國工業 FPGA 市場 銷售額為 47.4 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 31.5%，預計 2021-2025 年年復合增速將 達到 16.1%，到 2025 年工業領域市場規模將達到 100 億元。

高靈活性和數據處理能力驅動 FPGA 在無線通信和有線通信領域大量應用。由于 FPGA 芯片具有高度的靈活性、極強的實時處理和并行處理能力，可以大大加強通信設備的處理能力， FPGA 芯片大量的應用于無線通信和有線通信設備中。在無線通信領域，全球向 5G 領先地位 的沖刺正在加速，最大限度縮短上市時間是一個關鍵目標，FPGA 解決方案可以實現產品快速 設計迭代，廣泛應用在室內外基站等無線通信設備中。在有線通信領域，FPGA 芯片被應用于 接入網、傳輸網、路由器、交換機等，以實現信號控制、傳輸加速等各種功能。

網絡通信是 FPGA 最大的下游市場，未來仍有望持續增長。網絡通信領域是 FPGA 芯片 的最大的應用市場，根據 Frost&Sullivan 的數據，2020 年中國 FPGA 網絡通信領域市場銷售 額為 62.1 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 41.3%，預計 2021-2025 年復合增速將達到 17.5%，預計 2025 年網絡通信市場規模將達 140 億元。

3.Xilinx和Intel主導全球FPGA市場，國內廠商加速發展

Xilinx 和 Intel 主導全球 FPGA 市場，安路科技嶄露頭角。根據 Frost&Sullivan 的數據， 以銷售額口徑統計，2019 年 Xilinx 和 Intel 占據全球 FPGA 市場份額分別為 52%和 34%，合計 占比 86%，Lattice 和 Microsemi 占比分別為 5%和 4%。中國 FPGA 市場競爭格局情況與全球 類似，Xilinx、Intel 和 Lattice 分別以 71.4 億元、46.7 億元和 6.7 億元的銷售額位列市場前三位， 市場占有率分別為 55.1%、36.0%和 5.2%，安路科技在中國市場銷售額排名第四，占據了 0.9% 的市場份額，在國產 FPGA 芯片廠商中排名第一。

國內 FPGA 廠商加速發展，國產替代空間廣闊。目前國內有安路科技、紫光同創、復旦微 電、高云半導體、京微齊力等廠商進入 FPGA 行業，近年來由于美國對中國半導體的限制日益 趨嚴，FPGA 國產替代迫切需求疊加國產 FPGA 廠商產品快速迭代和品類擴張，國內 FPGA 廠 商高速成長。2018-2021 年安路科技和紫光國微的復合增速均超過 100%，2021 年安路科技和 紫光同創的營業收入分別為 6.79 億元和 7.82 億元。根據 Frost&Sullivan 的數據，國內 FPGA 廠商國產化率不到 5%，未來國產替代空間廣闊。

100K 以下和 100K-500K 邏輯容量的 FPGA 需求量大，是國內 FPGA 龍頭廠商國產替代 的主要市場。根據 Frost&Sullivan 的數據，2019 年 100K 以下邏輯容量的 FPGA 芯片中國市場 份額為 38.2%，100K-500K 邏輯容量的 FPGA 芯片市場份額為 31.7%，500K-1KK 和>1KK 分 別占比 24.4%和 5.7%。從邏輯容量來看，100K 以下和 100K-500K 邏輯容量的 FPGA 芯片是 中國市場需求量最大的部分，國內廠商安路科技和紫光同創目前均已覆蓋，是 FPGA 國產替代 的主要市場。

28nm 以上制程占大部分市場份額，是 FPGA 國產替代的重要方向。從工藝制程來看，由 于 28nm-90nm 制程 FPGA 在性價比和良品率方面具有優勢，占據了主要的市場地位。根據 Frost&Sullivan 的數據，2019 年 28nm-90nm 制程的 FPGA 占中國市場份額為 63.3%，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占據 20.9%的市場份額，>90nm 制程的 FPGA 占比 15.8%。由于中國 在先進制程制造方面受到限制，28nm 以上制程也是 FPGA 國產替代的重要方向。

4.FPGA軟硬件生態系統建立極高的行業壁壘

FPGA需要由FPGA芯片、EDA軟件及IP方案組成的軟硬件生態系統共同支撐實現功能。 FPGA 是需要通過“FPGA 芯片+EDA+IP”來實現功能的產品，如果把 FPGA 系統比作 PC 系統，那么 FPGA 芯片相當于 Intel 處理器，EDA 軟件相當于微軟操作系統，IP 方案則相當于應 用軟件。PC 正常工作需要由 Intel 處理器、微軟操作系統及應用軟件的共同配合完成，FPGA 則需要由 FPGA 芯片、EDA 軟件及 IP 方案組成的軟硬件生態系統共同支撐實現功能。 FPGA 軟硬件生態系統建立極高的行業壁壘。從產業鏈角度來看，FPGA 涉及到硬件架構、 EDA 軟件、IP、制程工藝、封裝技術、專業人才等多方面，并且發展 FPGA 必須在硬件和軟件 兩方面共同發展，FPGA 軟硬件生態系統也建立了極高的行業壁壘。

FPGA 芯片容量和性能方面的技術指標體現硬件的技術水平。FPGA 芯片的技術水平主要 體現在容量和性能兩個方面。在容量方面，LUT 數量、DSP 數量、RAM 數量和 User IO 數 量是重要的技術指標，其中 LUT 數量是 FPGA 芯片容量的基礎性指標。在性能方面，制造工 藝、DSP 工作頻率、動態功耗、SerDes 速率和 DDR3/DDR4 速率是 FPGA 芯片重要的技 術指標，其中制造工藝是 FPGA 芯片性能的基礎性指標。

邏輯容量、制程、SerDes 速率等關鍵指標形成 FPGA 硬件極高的行業壁壘。在邏輯容量、 制程、SerDes 速率等 FPGA 硬件關鍵指標上，國內 FPGA 龍頭廠商安路科技和紫光同創與全 球領導者 Xilinx 和 Intel 還有較大的差距；在 FPGA 芯片架構上，Xilinx 的 Versal 系列產品已 實現包含 CPU、FPGA、AI 引擎、高速接口的復雜異構 SoC 架構，國內的 FPSoC 產品采用 傳統陣列結構集成 CPU 核，在硬件架構上也存在較大差距；綜上所述，FPGA 硬件存在極高 的行業壁壘。

FPGA 的 EDA 軟件是各 FPGA 廠商自主研發的專用軟件開發工具。FPGA 的 EDA 軟件 并不是通用 EDA 軟件，通用的 EDA 軟件是芯片設計中必需的的集成電路軟件設計工具，通用 EDA 軟件市場份額占據前三的公司分別為 Synopsys、Cadence 和 Mentor。為了在應用端最大 限度地發揮硬件性能，FPGA 廠商必須為用戶提供自主開發的軟件工具。FPGA 的 EDA 軟件是 專用的軟件開發工具，用戶選擇使用不同廠商的 FPGA，需要通過該廠家的 FPGA EDA 軟件工 具完成一系列流程來操作，以實現用戶需要的功能。FPGA 軟件設計流程包含多個環節。用戶在使用 FPGA 時，需將 RTL 代碼通過邏輯綜合 工具、映射工具、布局布線工具、配置數據流生成工具、編程下載工具等生成下載到芯片里， 結合時序分析、功耗分析及在線調試工具，完成用戶應用在 FPGA 中的實現的整個過程。

FPGA EDA 軟件工具非常復雜，布局、布線等核心技術難點形成 EDA 軟件工具極高的行 業壁壘。在 FPGA 軟件工具設計流程中，仿真工具可以使用第三方工具實現，其他環節基本都 需要 FPGA 廠商自己研發軟件工具，其中邏輯綜合工具和設計實現部分具有較大的研發難度，布局和布線兩個環節是難度較大的核心技術難點。布局是將邏輯映射到目標器件結構資源中， 布局要減少布線資源的線長、控制均勻分布的密度、控制總延時盡可能小，關鍵在于短時間內 得到全局最優解。布線是完成布局后按照連接關系通過布線通道連接起來，布線主要考慮擁塞 和時序兩方面的因素，這兩個因素對于布線器是矛盾的。FPGA EDA 軟件涉及多個環節，軟件 工具非常復雜，布局、布線等核心技術難點形成了 FPGA EDA 軟件工具極高的行業壁壘。

EDA 軟件工具決定了 FPGA 發展水平。FPGA 需要軟硬件協同發展，EDA 軟件工具的水 平基本與硬件的水平是相對應的。在某種程度上 EDA 軟件工具處于決定性地位，因為 EDA 軟 件工具研發水平決定了硬件規模和性能所能達到的高度。由于 EDA 軟件需要考慮與芯片硬件 架構的匹配和一致性、應用場景多樣性、時序模型的復雜性和用戶使用體驗及效率等方面， FPGA 廠商在 EDA 軟件工具上需要大量的研發投入。