2021年FPGA芯片产业发展现状分析 FPGA芯片应用边界不断拓宽

1、FPGA：架构灵活的可编程芯片，兼具并行性和低时延性

FPGA 芯片属于逻辑芯片大类。逻辑芯片按功能可分为四大类芯片：通用处理器芯片（包含中央处理芯片 CPU、图形处理芯片 GPU，数字信号处理芯片 DSP 等）、存储器芯片（Memory）、专用集成电路芯片（ASIC） 和现场可编程逻辑阵列芯片（FPGA）。

与其他三类集成电路相比， FPGA 芯片的最大特点是现场可编程性。无论是 CPU、GPU、DSP、Memory 还是各类 ASIC 芯片，在芯片被制造完成之后，其芯片的功能就已被固定，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，从而将空白的 FPGA 芯片转化为具有特定功能的集成电路芯片。每颗 FPGA 芯片均可以进行多次不同功能配置，从而实现不同的功能。因此，就 FPGA 芯片公司而言，不仅需要提供芯片，还需要提供 FPGA 专用EDA 软件来对芯片进行配置。所以 FPGA 芯片公司不仅仅是集成电路设计企业，还必须是集成电路 EDA 软件企业。 

具体来看，FPGA的上述可编程性，使得其独特的架构拥有其他协处理器无法比拟的优势：

1. 灵活性：在数据密集型任务的执行中，ASIC 专用芯片作为协处理器在吞吐量、延迟和功耗三方面具有优势，GPU在峰值性能和内存接口带宽上具有优势，但 ASIC 和 GPU 受制于功能的固化，应用范围较为狭窄。相较于ASIC专用芯片和 GPU，FPGA 芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，在5G初期这种特性尤为重要。通过对 FPGA 编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA 能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。以数据中心的应用为例，由于计算任务多变、算法变化频繁，各类神经网络模型的更迭周期远短于 ASIC 芯片的研发周期，需求与研发的周期错配将导致大额的沉没成本。而 FPGA 芯片只需要几百毫秒即可更新芯片的逻辑功能，有力的节约了研发机构、用户的投资成本。此外， FPGA 还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益， 如白天用于搜索业务排序的处理器，晚上工作量较少的情况下，可将其中 FPGA 重新配置成离线数据分析的模块，提供离线数据分析服务，提升设备利用率。
2. 并行性：CPU、GPU 都属于冯·诺依曼结构，该结构具有软件编程的顺序特性。在执行任务时，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，且多方共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而 FPGA 是典型的硬件逻辑，每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程（烧写）时就已经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑，无需通过指令译码、共享内存来通信，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 等优势明显。
3. 产品上市周期短：由于 FPGA 买来编程后即可直接使用，FPGA方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。
4. 用量较小时的成本优势：ASIC 等方案有固定成本，而 FPGA 方案几乎没有。对客户而言，由于 FPGA 方案无需支付高额的流片成本，也不用承担流片失败风险，对于小批量多批次的专用控制设备， FPGA 方案的成本低于 ASIC 等方案，具有成本优势。

图：FPGA芯片逻辑功能实现过程

2、独特优势拓展需求空间，国内外市场同步高增

FPGA市场规模不断扩大，全球年均复合增长率16.4%：根据 Frost&Sullivan 统计数据，FPGA全球市场规模从2016年的约43.4亿美元增长至2020年约60.8亿美元，年均复合增长率约为8.8%。随着全球新一代通信设备以及人工智能与自动驾驶技术等新兴市场领域需求的不断增长，预计全球 FPGA市场规模将从2021年的68.6亿美元增长至2025年125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%。

中国市场增速快于全球，未来五年年均复合增长率23.1%。中国FPGA市场从2016年的约65.5亿元增长至 2020 年的约150.3亿元，年均复合增长率约为23.1%。随着国产替代进程的进一步加速，预计到2025年中国 FPGA市场规模将达到约332.2亿元。 

需求结构目前仍以100K以下以及28nm以上制程为主。

1. 按逻辑单元拆分，目前100K以下逻辑单元的 FPGA 芯片仍是市场需求量最大的部分，其次为 100K500K 逻辑单元部分。Frost&Sullivan 数据显示，中国市场 2019 年以销售额计， 100K 逻辑单元以下的 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；
2. 按制程拆分，目前 28nm-90nm 制程区间内的 FPGA 芯片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 芯片预计将快速发展。Frost&Sullivan 数据显示，中国市场 2019 年以销售额计， 28nm-90nm 制程的 FPGA 芯片占据了 63.3%的市场份额，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占据了 20.9%的市场份额。

展望未来，多种因素将进一步刺激FPGA 芯片的需求量。首先，随着新一代通信技术的商用化，通信基站、服务器、智能终端等产品的需求将进一步扩大，从而带动FPGA 芯片市场需求的提升。同时，智慧城市、智能工厂、消费电子对各类智能物联网设备等的功能性更加看重，这将驱使 FPGA 芯片在智能物联网设备中的广泛应用。最后，随着车联网技术的发展，汽车行业也将使用 FPGA 芯片，以构建更完善的车联网以及实现更智能的自动驾驶功能。因此，新一代通信技术、物联网和车联网的发展将大大提升市场对 FPGA 芯片的需求，推动 FPGA 产业持续发展。 

3、下游应用多点开花：FPGA细分领域成长性分析

FPGA下游应用广泛，5G+AI+汽车电子引领行业增长。得益于FPGA高灵活性，可扩展的优点，FPGA的下游应用十分广阔，包括网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等领域。目前随着5G通信的快速渗透，人工智能的蓬勃发展以及汽车智能化趋势不断加强，预计未来通信、AI、汽车电子三项领域FPGA需求量将不断提高，市场规模有望持续收益。 

图：2020年中国FPGA下游应用分布

3.1、网络通信和5G中FPGA芯片的应用

网络通信领域是FPGA芯片的主要应用市场之一，Frost&Sullivan 数据显示 2020 年应用于该领域的 FPGA 芯片中国销售额将达到 62.1亿元，占中国 FPGA 芯片市场份额的 41.3%，2021年至2025 年年均复合增长率将达到17.5%。

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。在有线通信领域，FPGA 芯片被应用于数据接入、传送、路由器、交换机的多种电路板中，以实现信号控制、传输加速等各种功能。在无线通信领域，FPGA 芯片被应用在无线通信基站和射频处理单元的多种电路板中以实现通信协议的各种功能和未来升级需求，集成 CPU 的现场可编程系统级芯片产品被应用在室外微基站、室内微基站等无线网络通信中，以单芯片完成商业、住宅、工厂区域的多模覆盖、网络容量增加、人工智能计算等多样性功能需求。 

在网络通信领域， FPGA 芯片得到大规模运用主要是由于其具有高度的灵活性、极强的实时处理和并行处理能力，大大加强了通信设备的处理能力。在无线通信系统中，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 芯片内在的分布式逻辑和运算单元结构使其可以较容易地实现分布式的算法结构，因此可以有效地实现这些乘和累加操作，使其可以实现通信过程中大量的高速数字信号处理功能。相较于其他类型芯片， FPGA 芯片一方面依靠其运算速度可以有效满足通信领域高速的通信协议处理需求，另一方面又可依靠其灵活性以适应通信协议持续迭代的特点。

3.2、工业FPGA 芯片市场

工业领域是 FPGA 芯片的主要应用市场之一，Frost&Sullivan 数据显示 2020 年应用于该领域的FPGA 芯片中国市场销售额将达到 47.4亿元，占中国 FPGA 芯片市场份额的 31.5%，2021年至 2025年年均复合增长率将达到 16.1%。FPGA 芯片在工业领域应用非常广泛，大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域实现信号控制和运算加速功能。随着智能化与自动化技术的发展，工业领域也正逐渐从以人力资源为核心要素转向以自动化为核心要素的智能化无人工厂。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，以数控机床的伺服系统为例，相较传统的只能控制单一马达的专用芯片， FPGA 芯片可以做到多通道的马达控制。目前驱动马达所消耗的电力占据了全球能源消耗的很大部分，在节能环保的趋势下，未来各类能够精准控制马达并可以在单一芯片上实现控制多个马达的 FPGA 芯片将在工业控制领域得到更多应用。

3.3、数据中心行业

FPGA 芯片市场 数据中心是 FPGA 芯片的新兴应用市场之一，Frost&Sullivan 数据显示 2020 年应用于该领域的 FPGA 芯片中国销售额将达到 16.1 亿元，占中国 FPGA 芯片市场份额的10.7%， 2021 年至 2025 年年均复合增长率将达到 16.6%。

数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。服务器和存储器作为数据中心的通用基础设备，为了应对复杂多变的应用情景，需要 FPGA 芯片实现逻辑控制、数据转换、功能扩展、系统升级等功能。在数据中心运算处理领域，相比于 CPU， FPGA 芯片由于其无指令、无需共享内存的体系结构，能够同时提供强大的计算能力和足够的灵活性；相比 GPU， FPGA 芯片在数据中心具有低延迟及高吞吐的优势；相比 ASIC， FPGA 芯片在性能、灵活性、同构性、成本和功耗等五个方面可以达到出色的平衡。

FPGA 芯片在数据中心领域主要用于硬件加速，数据中心使用 FPGA 芯片代替传统的 CPU 方案后，处理其自定义算法时可实现显著的加速效果。因此从 2016 年开始，微软 Azure、亚马逊 AWS、阿里云的服务器上都开始部署 FPGA 加速器用于运算加速。

在云计算大面积应用的背景下，未来数据中心对芯片性能的要求将进一步提高，更多数据中心将采纳 FPGA 芯片方案， 这将提高 FPGA 芯片在数据中心芯片中的价值占比。

3.4、强逻辑性+功耗低，汽车智能化打开FPGA增量空间。

在汽车电子系统接口及控制领域，FPGA 芯片用于控制和驱动电动汽车电机控制系统，连接驾驶系统、仪表盘、雷达、超声波传感器等各种车载设备，实现激光雷达、毫米波雷达等信号处理和控制。在视频桥接和融合领域， FPGA 芯片可用于实现多个图像传感器的信号桥接、 3D 环视视频融合、倒车辅助视频、辅助驾驶视频等功能。在辅助驾驶和自动驾驶领域， FPGA 芯片可用于实现机器视觉与目标检测等各种功能。相较其他通用芯片方案， FPGA 方案在辅助驾驶的视频分析功能中可采用超低延时精确算法对来自车辆摄像机的实时视频输入信号进行分析，及时做出判断，并且 FPGA方案可以在不进行重新设计的前提下实现重新编程， 以适应不断发展的算法，从而缩短整体方案的开发周期。 FPGA 芯片的这些优势为快速增长的各种汽车电子应用需求提供了灵活的低成本高性能解决方案。在高级驾驶辅助系统（ADAS）、汽车信息娱乐系统等新兴汽车电子领域，FPGA 芯片成功地应对了自动驾驶要求的快速演变，成为提升用户驾驶体验和信息娱乐体验不可或缺的一部分。。根据Frost&Sullivan 数据显示2020年应用于该领域的FPGA芯片中国销售额将达到9.5亿元，预计2025年达26.3亿元，年均复合增长率为22.7%。

3.5、高灵活性+强算力，高度匹配人工智能领域需求。

人工智能算法芯片实现分为云侧处理和端侧处理。在云侧处理时，和GPU及ASIC芯片相比，FPGA芯片内在并行处理单元达到百万级，可以做到真正并行运算，其可编程性又可实现灵活搭建数据处理流水线，因此运算速度快，数据访问延迟低，较为适合人工智能的实时决策需求。在端侧处理领域，FPGA芯片可实现快速推断决策，另外其具有的现场可编程、可实现定制功能、高吞吐量和低延迟等特点有效地满足了用户对各种神经网络设计的要求，成为适配各种经过压缩优化的神经网络部署和升级的理想选择。持续受益于人工智能领域的广阔发展前景，未来AI用FPGA需求量将持续向好，据Frost&Sullivan，中国FPGA人工智能领域市场2020年规模5.8亿元，预计2025年达12.5亿元，年均复合增长率为16.9%。

4、竞争格局：国外绝对垄断，国内龙头公司迎头赶上 

FPGA芯片国外起步较早，技术积累深厚，高度垄断市场。根据Frost&Sullivan的统计数据，以出货量为口径，2019年中国FPGA芯片市场有超80%的份额被外商占据，前三名供应商为赛灵思、英特尔和莱蒂斯，出货量分别为5200万颗，3600万颗和3300万颗，占比36.6%、25.3%和23.2%，国产厂商安路科技排在第四位，占比仅6%。若以销售额口径统计，市场呈现双寡头形式，2019年赛灵思和英特尔两家的合计占有率达91.1%，安路科技排名第四，占比0.9%，在国产厂商中排名第一。 

国内公司主要面向中低端市场，技术水平仍存在差距。国内FPGA市场起步较晚，相关技术人员匮乏，主要面向低密度市场扩展自身份额，逐步实现国产替代。从技术水平上看，国内厂商与国际龙头仍存在较大差距。赛灵思拥有各项专利5300项，相比之下紫光同创仅有300项，在FPGA核心专利大部分被外商掌握的前提下，FPGA芯片的国产化需要更长时期的技术积累和投入。而从工艺制成、门级规模及SerDes几个FPGA关键技术指标来看，赛灵思等外资厂商仍具有明显的技术优势，在28nm制程复旦微电等公司技术已经区域成熟，但更先进制程，如7nm等技术依然被外商垄断，国产替代任重而道远。

（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。）