2023年FPGA行业专题分析：FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？

1. 复盘 1984-2022：FPGA 市场是如何成长的？未来成长的驱动力？

目前，全球 FPGA 市场规模约为 83 亿美元，28 年将成长为近 200 亿美元级别市场。从 1984 年发明开始， FPGA 首先在通信获得广泛应用，进入 2000 年后则是消费电子和通信双驱动发展，2010 年后，AI 和汽车成 为 FPGA 新增长市场。未来，FPGA 的成长驱动力来自于 AI、国防&航空航天、工业和汽车等下游。

自从 1984 年以来，虽然 FPGA 发明的初衷是替代 ASIC，但受限于 80 年代的晶圆制造技术，面积较大 的 FPGA 良率难以得到提升，价格昂贵。此外，Xilinx 引入的 EDA 还不够完善，不如乘积项架构的 PAL 好理解。因此，90 年代之前，FPGA 一直只在胶合逻辑领域（Glue Logic）使用，即用于帮助 ASIC 设计者补上那些最后才被发现意外忽略的功能，使得 FPGA 市场空间在当时仅有 1 亿美元，而 FPGA 所属的逻辑芯片市场规模在 1990 年已达到 156 亿，是 FPGA 市场的 156 倍（现在逻辑芯片市场 1760 亿，是 FPGA 的 20 倍）。

直到突破了门级数的限制，FPGA 才开始脱离粘合逻辑的场景，逐步开始替代 ASIC。Xilinx 开创的无 晶圆厂模式，以及 CMP 技术的出现，使得晶圆制造的成本下降，FPGA 的成本得以大幅降低。FPGA 突破百万门限制之后，可以完成复杂的大型电路这一以往只有 ASIC 能够实现的设计。此外，正如我们 在系列报告一提到的，基于 LUT 架构的 FPGA，其可扩容性和容量都高于乘积项架构的 SPLD 和 CPLD。 因此，1990-1995 年，FPGA 的增长来自于不断获得本来使用 ASIC 的客户订单，以及对 SPLD 的替代。 1995-2000 年，FPGA 扩展到通信和网络下游，获得广泛的无线基站和数通网络设备的订单。

进入 00 年后，随着科网泡沫破裂，客户对低成本电子系统方案愈发看重，FPGA 从原来高端的通信下 游下沉至低成本的消费电子下游，特别是小容量的 FPGA 开始侵蚀 CPLD 和低成本 ASIC 的市场，加上 3G 的建设带来的通信市场需求，以及对 DSP 的替代，支撑了 FPGA 市场 2000-2010 年的成长。

2010 年后，随着以 AlexNet 为代表的的神经网络模型问世，FPGA 在人工智能找到加速计算的新方向 和成长逻辑，AI 成为 FPGA 龙头赛灵思增速最快的下游。

未来，FPGA 的成长驱动力来自于愈发增多的低时延处理和高灵活的变化场景，特别是在 AI、国防&航 空航天、工业和汽车这些下游尤为明显。

当前中国 FPGA 市场规模约为 16 亿美元，预计 28 年规模约为 45 亿美元，复合增速 18%，高于全球其他 地区。2019 年，中国 FPGA 市场规模约为 11 亿美元，2019-2022 年，5G 规模部署等因素拉动，中国 FPGA 市场复合增速 15%高于全球市场（复合增速 13%）。预计 2023 年，国内 FPGA 市场将达到 19 亿美元规模， AI&数据中心、电信、国防&航空航天、汽车市场对 FPGA 日益增长的需求，将推动国内 FPGA 市场在 2028 年增长至 45 亿美元，继续引领全球市场增长。

2. FPGA 在每个下游的增长驱动力？

电信、数据中心&AI、国防&航空航天、汽车四大下游驱动 FPGA 成长。目前，全球 83 亿美元的 FPGA 市 场中，电信市场为 FPGA 最大的下游，占比 25%，亦是未来增速最快的市场，其次是工业市场，占比 16%， 第三大市场是数据中心&AI，占比 15%，第四大市场是国防&航空航天市场，占比 13%，剩下是多媒体&广播、 消费电子、医疗市场，占比均在 5%-10%左右。

3. FPGA 在低时延场景的巨大优势

FPGA 相比 CPU 的时延优势来自于以下三个方面：1）CPU 为了保证最大程度的通用性和复杂任务的处理， 引入了指令集和对应的取指译码操作，而 FPGA 在设计时就相当于预先指定了指令，所以不需要像 CPU 一 样进行 Fetch（取指）-Decode（译码），而是直接进入相当于 CPU 的 Excecute（执行）的环节；2）FPGA 亦不需要等到第一条指令执行完毕才开始第二条指令的执行，每条独立的指令都可以同步执行，现代 CPU 虽然有多个 ALU（Arithmetic Logic Unit，CPU 核心的计算单元）以完成并行计算，但在并行度上依然不如 有数十万个 CLB 的 FPGA；3）对于现代 CPU 为了提升并行度增加的模块，比如 Branch Prediction（分支 预测），Out-of-order Execution（乱序执行），调度（Scheduler），FPGA 都不需要，因此节省了很多在这些 模块上耗费的时间，使得 FPGA 完成指令所花费的时钟周期要远小于 CPU，而 CPU 需要不断提高时钟速度 和核数量，也需要不断进行架构和处理方式的改进，去尽量缩短处理的时延。总的来说，CPU 擅长的是控制， 在计算效率上 FPGA 更优。因此，在电子系统中，CPU 通常完成复杂的控制，而 FPGA 则负责完成 CPU“卸 载”的高并行计算任务。

在高并行计算中，FPGA 的时延优势更突出。比如，在完成雷达波束赋形这一高并行算法时，使用 Xilinx Virtex7 （FPGA）时延仅需 3.3ms，而且时钟频率仅需 125MHz，系统功耗仅为 75W，而使用 ARM A9（CPU）在 667MHz 的时钟频率下依然需要 250ms 才能完成，而且系统功耗高至 1400W。

4. FPGA 在每个下游市场究竟用在哪里？

通信是 FPGA 最重要的市场，主要用在无线网络、有线通信、原型验证。例如，在 5G 基站中，FPGA 可以 在杆上的射频单元中负责无线信号的波束赋形工作；在传输网络中，FPGA 的灵活性可以使得一个设备就能 兼容多个运营商的前传标准，可以降低成本、加快上市时间；除此之外，FPGA 还广泛应用在 OTN、核心网、 NFV 等领域。

FPGA 在汽车领域主要用于 ADAS 和车身，未来汽车低时延和高灵活的处理需求正在不断提升对 FPGA 的 需求。在 ADAS 场景，FPGA 普遍应用在传感器融合领域，比如多路高清摄像头和激光雷达等传感器的融合； 除了传感器融合之外，激光雷达自身的高速信号处理也广泛运用到 Xilinx 的 SoC FPGA 方案，而座舱内驾驶 员状态监测系统也用到 FPGA 的方案。在座舱域中控屏，FPGA 主要负责 SoC 和显示屏之间信号的桥接、图像分割、升降帧、缩放、旋转的功能。除了 ADAS 系统外，我们看到 FPGA 在新能源车的动力总成系统有 愈发广泛的使用，其高并行的特性可以完成更好的电机控制，常见的 FPGA 有 Altera 的 Cyclone 和 Max 10， Lattice 的 Certus-NX。

FPGA 是激光雷达厂商的主流处理器方案。激光雷达往往涉及大量的信号处理，需要并行能力强的处理器， 同时，激光雷达算法也正在不断迭代升级，加上汽车对功耗预算的约束，在这些限制下，FPGA 成为激光雷 达最佳也是事实上最主流的选择。目前，包括速腾聚创、禾赛、Ouster 等主流的激光雷达厂商均采用了 Xilinx 的 SoC FPGA Zynq 系列作为其激光雷达产品的处理器。

工业领域不断提升的精确控制需求正在驱动 FPGA 的成长。工业领域有着非常多的细分市场，大致可以分为 控制/生产/测试，工业视觉/安防/红外、仪器仪表、激光加工、工业通信、半导体仿真六个大类。1）在控制/ 生产/测试领域，FPGA 的低时延处理可以完成精确、无抖动的伺服驱动；2）在工业相机领域，FPGA 高并 行的架构、确定性的时延可以完成实时的图像处理，例如流水线上的 U 盘表面的缺陷检测，传送带上煤炭分 选等；3）在仪器仪表领域，FPGA 常用于示波器、信号源等设备，负责实时信号的高质量发生和处理；4） 在激光加工领域，FPGA 用于激光器的电控系统；5）在工业通信领域，FPGA 高灵活度可以适应不断演进 的 TSN 标准，常用于工业级交换机等产品；6）在半导体领域，大型芯片的商业仿真平台基本都会用到当代 最大的 FPGA，在今年 6 月 7nm 的 VP1902（Versal Premium）推出之前，Xilinx 最大的 FPGA 是其在 2019 年推出的 16nm VU19P（Virtex UltraScale+），往往是诸如 Cadence Protium x2，Mentor/Siemens EDA 的 Veloce 等各大商业半导体仿真平台的必选方案，直接用于 Nvidia GPU 等超大型芯片的原型设计和验证。

医疗影像的高清化是 FPGA 在医疗领域增长的驱动力。FPGA 在医疗领域常用于医疗影像的实时处理，例如 超声、CT、MR 等设备的实时高清成像，由于医疗领域的算法复杂多变且不断更新，FPGA 的方案可以帮助 行业客户快速迭代。此外，在便携的医疗影像设备中，SoC FPGA 可以提供高集成度、低功耗、小尺寸的方 案。

LED显示和桥接是FPGA在消费电子领域密集使用到的场景，分辨率向4K/8K的提升正在驱动FPGA增长。 随着视频清晰度从 1080P 提升到 4kK/8K，芯片需要控制的 LED 数量也大幅增加，FPGA 高并行的特性。

可以很好地胜任低时延高清晰度的 LED 显示。此外，FPGA 在 AR、VR 产品中常用于显示桥接。在 LCD 投 影仪中将 SoC 传输过来的 4K 60 帧视频分成三路 1080P 120 帧的 RGB 信号。 FPGA 在国防和航空航天有着非常普遍的应用，未来增长主要驱动力来自于精确打击武器和卫星通信的发展。 FPGA 在国防领域主要应用在导弹和雷达，例如，相控阵雷达常用到 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ RFSoC 完 成雷达的波束指向；在导弹的电子系统中，FPGA 常用于关键的云台控制、数字信号处理、对外安全通信、 姿态控制的模块，以实行精确的目标打击。在航空航天领域，FPGA 常用于民航、无人机/反无人机、卫星以 及火星等太空探索项目，例如，在搭载有 FPGA 的卫星的星上电脑（On-board-computer，OBC）将卫星的 高光谱影像传回地球，或者直接在卫星上处理观测数据，识别出诸如停靠的中型飞机等地面物体；在无人机 上，FPGA 可以用于目标识别、对外通信等关键系统，在反无人机设备，FPGA 还可以用于电磁干扰/诱导， 驱离或诱骗无人机到安全地区降落。

在航天，我们看到的变化来自于卫星活动的明显增强。在近年地缘政治紧张态势下，各国部署自有通信卫星 星座和观测卫星的需求激增。仅去年全年，中美发射次数合计占全球 76%，随着大批的低轨卫星计划在未来 4-5 年内完成发射组网，太空活动实际已进入新的活跃期。在卫星的电子系统中，我们看到最明显的变化是 寻求扩大 AI 在太空的应用。例如，在观察卫星上使用 AI 目标检测模型，识别出含有地面物体的照片并回传， 相比不加识别全部回传而言，可以节省本就有限的星地通信的带宽，加快地面的处理速度。这些大型的图像 处理提升了星上算力要求，特别是 FPGA 这一高并行、高可靠的处理器需求。

随着视频清晰度和实时传输的要求提升，多媒体&广播对 FPGA 的需求在提升。FPGA 在多媒体广播系统中。

常用于实时的音视频处理，随着直播的清晰度提升至 4K/8K，高并行的处理可以减少卡顿或延迟，提升观看 体验。 FPGA 在数据中心&AI 的增长驱动力主要来自于低时延推理的需求。FPGA 的高并行、低时延、低功耗的特 性特别适合需要实时推理的场景。例如，YOLO（You only look once）是目前最重要的实时目标检测算法， 使用 Xilinx 的 Zynq UltraScale+ MPSoC 可以在约 18ms 的时延完成 YOLOv5，而使用 Zynq 7100 则可实现 压缩后的 YOLOv7 模型，在 30 帧率下实现小于 33ms (15ms)的低时延推理。除此之外，FPGA 在数据中心 常用于计算加速，比如云计算的加速实例、金融的高频/低时延的交易系统处理。FPGA 还广泛应用于数据中 心的互联、存储控制系统。

5. 从现在开始，中国对 FPGA 的主流需求在哪里？

全球 FPGA 市场按制程可大致分为三类：1）>90nm，包括 0.25/0.22 μm，0.18/0.15 μm 和 0.13 μm，主要 用于高可靠的航天应用；2）20-90 nm，包括 20/22 nm, 28 nm, 40/45 nm, 55/60/65 nm, 90 nm。其中，国 防&航空航天（A&D）对 28-90 nm 的 FPGA 均有需求，汽车市场主要集中在 28-65 nm FPGA，消费电子则 常用 28nm 或 45nm 的 FPGA，电信的空口侧主要使用 28nm FPGA；3）≤16nm，包括 16 nm, 14 nm, 10 nm, 7 nm。其中，14/16nm FPGA 主要应用在电信领域的基带单元和有线网络，汽车领域的激光雷达，工业中的 安防和仪器仪表，还有医疗影像、ASIC 验证、多媒体&广播，以及国防&航空航天中密集的视觉处理和通信 场景，7nm FPGA 目前主要应用在数据中心加速计算。 目前，中国 FPGA 主流需求大多集中在制程为 28nm-90nm、逻辑单元数在 500K 以内的成熟市场。 Frost&Sullivan 数据显示，中国市场 2019 年以销售额计，逻辑单元<100K 的 FPGA 芯片占据了 38.2%的市 场份额，100K-500K 逻辑单元的 FPGA 芯片占据了 31.7%的市场份额，500K 以内的 FPGA 合计占据近 70% 的市场。制程上看，60%以上的市场是 28-90nm 的 FPGA。对于国产厂商来说，28nm 是最需要抓住的市场。

尽管如此，全球 FPGA 的制程正在向 16nm 过渡，16nm 制程是考虑到未来 5-10 年增长必须首先占据优势 的位置。14/16nm FGPA 的优势在于，能在同样功耗下做到更大容量、更高性能，或者在同等容量下更小的。

功耗和尺寸。我们看到，全球 FPGA 市场正在向 16nm 及更先进制程迁移，Marketsandmarkets 预计，到 2028 年，20-90nm FPGA 的市场占比将从 2019 年的 49%降至 46%，而≤16nm 的 FPGA 将从 36%提升至 44%，6 年复合增速 17%，高于 20-90nm FPGA 的 10%。

6. FPGA 国产替代的空间？

目前，国产 FPGA 在低容量领域可以快速替代，中端 FPGA 可以渐进替代，高端 FPGA 有待突破。低容量 FPGA 技术较为成熟，相当于 2000-2005 年全球龙头达到的容量水平，几乎所有本土厂商都有已推出多年的 产品，可以快速进行替代。而中端 FPGA 推出厂商较少，大多在近 1-2 年推出，目前正逐步进行替代。高端 FPGA 市场进入难度较大，需要技术突破。今年我们看到，高端 FPGA 国产化替代处于从 0 到 1 阶段。 目前国产 FPGA 全球市占率合计 8.4%，2028 年，国产厂商合计收入将有望达到 214 亿元人民币，占全球 16%的份额。我们估计，2022 年，国产 FPGA 厂商整体收入达到 49 亿人民币，而全球 FPGA 市场为 83 亿 美元，整体国产化率达到 8.4%。在低容量领域，国产 FPGA 厂商占据约 14%的份额，我们认为，在 2028 年这一比例将提升至 25%，是国产化进展最迅速的领域。在性价比 FPGA 中，2022 年国产市占率约为 4%， 预计到 28 年到 10%。而高端 FPGA 则长期被 Xilinx 和 Altera/Intel 垄断，预计到 28 年国产厂商占比达到 5%。 到 2028 年，国产厂商的收入合计可达到 214 亿元，届时整体国产化率将有望达到 16%。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）