FPGA行业特点、驱动因素及格局如何？

技术壁垒高，国产替代空间广阔。

1.特点：半定制电路，现场可编程

FPGA特点：作为一种半定制电路，最大的特点就是现场可编程。FPGA芯片由 逻辑单元（LC）、输入输出单元（IO）和开关连线阵列（SB）三部分构成。逻辑单 元通过数据查找表（LUT）中存放的数据来实现不同的电路功能，本质是一种静态随 机存取存储器（SRAM），大小由输入端的信号数量决定。查找表输入端越多，可以 实现的逻辑电路越复杂，逻辑容量越大。FPGA芯片在制造完成后，其功能并未固定， 用户可以根据自己的实际需要，将自己设计的电路通过FPGA芯片公司提供的专用 EDA软件对FPGA芯片进行功能配置，从而将FPGA芯片转化为具有特定功能的集成 电路芯片，因此得名“现场可编程”。CPU基于冯诺伊曼原理，将所有的任务分成 各种指令和数据，然后进行先进先出的串行计算，FPGA与CPU相比并没有指令集， 其计算规则使其并行计算能力强。

主要优势：FPGA兼具灵活性和并行性，平衡成本和算力。相比于ASIC，FPGA 兼具软件的灵活性和硬件的并行性，在成本和算力之间取得平衡。成本端，采用FPGA 可以避免前期高额的流片成本和掩膜成本等NRE费用。此外，FPGA可编程的特点在 新工艺、新型号产品推进时仅需改写电路结构，无需重新研发新的适用芯片，节省成本的同时大大缩短开发周期，在新项目推进上具有优势。算力端，CPU的执行单 元需按顺序通过取指、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，从而 产生任务延时。而FPGA各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其 是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU具有明显优势。

发展趋势：高集成度趋势也推动FPGA芯片发展为FPSoC。FPSoC（现场可编 程系统级芯片）指将整个“系统”放置在芯片上的FPGA，系统至少集成了CPU和传 统FPGA阵列的功能。业界对该产品有不同命名，安路科技该类产品为FPSoC，Xilinx 称其为Zynq SoC/MPSoC/RFSoC/ACAP Platform，Intel称其为SoC FPGA。 应用领域：FPGA的特性使其在以下场景具备优势而被广泛应用。（1）技术迭 代快、上市周期短的领域：如5G通信、部分消费电子等。（2）小批量专用领域：如 航空与航天、国防军工、工业与检测、测试与测量等特种领域。（3）迭代频繁、技 术路径尚不确定的领域：如AI、智能驾驶、数据中心等。

2.空间：多应用场景驱动FPGA成长空间广阔

多元应用场景和技术的不断升级推动FPGA量价均有一定提升。数量上看，一是 部分领域单个终端用量增加，如5G通信基站中FPGA芯片用量上升；二是体现在下 游应用扩展带来量增，如数据中心、汽车电子等新兴市场，以及传统市场中新增需 求，如新增消费市场的投影仪、激光打印机等应用。价值量上看，FPGA由65~28nm 逐渐向更先进制程推进，目前国际领先FPGA芯片公司已实现7nm制程芯片的量产出 货。其次，FPGA向更大容量、更高速电路结构、复杂异构SoC系统发展方向发展， 并且不断集成AI引擎、IO外设接口等功能，整体价值量的提升有助于推动ASP提升。

量价结合，驱动全球FPGA市场成长为超100亿美金赛道。根据公司招股书引用 的Frost&Sullivan数据，2020年全球FPGA芯片市场规模达60.8亿美元，预计2025年 将增长至125.8亿美元，CAGR约15.7%。随着我国新基建的投入以及人工智能等新 应用领域崛起，国内FPGA市场也快速发展，2021年我国FPGA芯片市场规模达到约 177亿元，预计2025年达到332.2亿元，CAGR达17.2%，成长性较好。

网络通信市场稳定增长，AIoT和人工智能领域提供增长新动能。网络通信是 FPGA下游应用最大的细分市场。根据招股书引用的Frost&Sullivan的数据，2019年 中国FPGA市场规模约129.6亿元，其中通信市场规模达53.1亿元，约占总市场规模 的40%；工业控制领域FPGA市场规模达41.5亿元，约占市场规模的30%。从细分市 场成长性来看，通信、工控、汽车电子等领域都保持较好的成长性。

通信领域：通信系统中，许多功能模块通常都需要大量的滤波运算，这些滤波 函数往往需要大量的乘和累加操作。FPGA芯片的分布式逻辑和运算结构使得各逻辑 单元可并行工作，从而实现通信过程中大量的高速数字信号处理功能。同时，网络 通信拥有较长的迭代升级过程，比如基站的逻辑链路层、物理层的协议部分需要定 期更新，也适合使用FPGA芯片。当前，5G系统方案尚在完善优化，为FPGA在通信 领域的应用提供了较好的时间窗口。FPGA芯片目前被大量应用在无线通信和有线通 信设备中，实现接口扩展、逻辑控制、数据处理、单芯片系统等各种功能。

工控领域：受益于工业智能化、无人化的发展趋势，FPGA芯片高效能、实时性、 高灵活性的特点使其在工业领域得到了广泛应用。工控领域的伺服系统控制算法和 控制精度要求日益增高，FPGA由于其功能强、速度快、灵活性大、设计周期短等特 性也广泛应用到工业伺服、安防AI摄像头、数控机床、工业机器人等领域。

消费电子：FPGA芯片的可编程特性和开发周期较短等特点，能够较好匹配消费 电子产品迭代周期快、新产品开发时间要求高的需求。消费电子市场对于产品的成 本和功耗要求较为严苛。为突显产品的差异化，将创新功能引入到产品中，且尽可 能地避免复杂功能为应用处理器带来更高的功耗，消费电子厂商目前形成了一种类 似协处理器、功能简单、功耗低、性价比高的解决方案，该方案将FPGA芯片作为主 要芯片之一，为FPGA芯片在消费类电子市场的发展提供了良好机遇。比如安路科技 的SF1系列FPSoC就可用于消费电子领域的对大量的图像和视频处理和接口转换有 需求的LCD显示屏场景。

3.格局：欧美龙头领先，国产替代趋势加速

国内外市场均呈现大厂Xilinx和Intel占据主导市场格局。国际大厂Xilinx和Intel （Altera）两大龙头企业在技术和客户端都拥有深厚的积累，两家占据绝大部分份额。根据招股书引用的Frost&Sullivan数据，2019年以销售额口径统计，前两大FPGA厂 商Xilinx和Intel（Altera）在全球市场市占率分别为52%和34%，在国内市场市占率分 别约55%和36%，本土厂商整体市占率不足5%，国产替代空间广阔。本土FPGA芯 片公司中，复旦微电、紫光同创和安路科技身位领先。复旦微电的FPGA芯片主要应 用于高可靠特种领域，紫光同创主要布局网络通信领域，安路科技的下游应用相对 广泛，主攻通信、工控领域的同时，并积极拓展消费电子和数据中心等领域。

我们认为，国内FPGA厂商的发展机遇主要来自：（1）上下游产业链更趋完善； （2）摩尔定律放缓给本土FPGA厂商带来追赶空间；（3）中美贸易摩擦和缺芯影响 供应链偏好，国产替代需求迫切且空间广阔。具体而言如下： 产业链上下游渐趋完善：上游的EDA软件厂商、Fab代工厂都有了较快发展。下 游本土客户群也在不断壮大。需求端有足够多的本土客户，尤其是本土发展出像华 为、中兴等通信大客户和汇川等工控大客户有利于扩展国产替代空间；

摩尔定律放缓带来追赶空间：尽管国际大厂Xilinx和Intel(Altera)的已经走到了 7nm等先进制程，但是其对先进制程需求较大的产品集中在100k以上的数据中心、 通信、汽车、视频处理等应用领域。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。根据Frost&Sullivan数据，2019年 中国FPGA市场28nm及其以上制程仍占约80%的份额，因此目前产品集中于成熟制 程的本土厂商仍有较广阔的发展空间。

从竞对趋势看，FPGA市占前二厂商Altera和Xilinx分别于2021年5月和2022年2 月被Intel和AMD收购，收购后一定程度上会配合母公司产品结构和战略，长期来看， 对一些细分市场，尤其是对较低逻辑单元容量的中低端市场重视度或会相对不足。 Xilinx年报数据表明，Xilinx的核心产品主要以40nm及其以上的Virtex-6/5/4、Spartan6等系列产品构成，近年来Xilinx的核心产品营收占比逐年降低。

中美贸易摩擦加速国产替代进程。FPGA的生命周期通常较长，客户适应全新 FPGA与其配套EDA软件需要较多的时间成本和人力成本，如非必要，客户替换动力 不强劲。以Xilinx出的7系列FPGA为例，AMD表示产品生命周期至少延长到2035年， 总共提供了长达25年的产品支持寿命。近年来，FPGA领域的国产替代趋势也在加速。 中美贸易摩擦和本轮历史级缺芯一定程度改变了供应链偏好，供应链本土化和稳定 性得到重视。我国头部FPGA企业在消费电子、工控和通信等中小容量产品的领域已 率先实现抓住国产替代机遇，近年来不断导入本土客户，实现部分国产替代。 从可替代空间来看，中国FPGA市场可替代空间广阔。根据Xilinx和Lattice财报 披露的来自中国地区的营收统计，2021年，Xilinx和Lattice来自中国地区营收超13亿 美金，整体来看，替代空间广阔。

从替代节奏看，本土厂商首先从28nm以上及100k以下逻辑规模的芯片切入市 场，后续逐步扩展逻辑单元容量与下游应用场景。按制程工艺拆分，28-90nm制程的芯片因为较高的性价比和良率，占据了国内市场的主要份额；28nm以下制程芯片 受益于低功耗和高性能的特点，满足了各领域高端市场的需求，预计将快速发展。 按逻辑容量拆分，100K以下逻辑单元芯片仍是中国市场需求量最大的应用。本土领 先厂商首先从成熟制程及中低逻辑规模的芯片进入市场，后续可持续加码研发先进 制程和中高逻辑容量产品。