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FPGA 是可以先購(gòu)買(mǎi)再設(shè)計(jì)的“萬(wàn)能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu)，讓客戶(hù)不必依賴(lài)由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。廣泛應(yīng)用在原型驗(yàn)證、通信、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、航空航天、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

Altera LUT4 架構(gòu)

FPGA 硬件三大指標(biāo)：制程、門(mén)級(jí)數(shù)及 SERDES 速率，配套 EDA 軟件工具同樣重要。比較 FPGA 產(chǎn)品可以從技術(shù)指標(biāo)入手。從 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時(shí)鐘管理（CMT）、嵌入塊式 RAM（BRAM）、布線(xiàn)資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和專(zhuān)用硬件模塊等。

根據(jù)賽靈思披露的數(shù)據(jù)，一個(gè) LUT6 等效 1.6 個(gè) LC，一個(gè) LC 對(duì)應(yīng)幾十到上百“門(mén)”，1000 萬(wàn)門(mén)約等于 10 萬(wàn) LC，即 100K CLB 級(jí)別 FPGA。與 ASIC 不同的是，客戶(hù)在選購(gòu) FPGA 產(chǎn)品不僅考慮硬件參數(shù)，配套 EDA 軟件的性能也同樣重要。目前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商高端產(chǎn)品在硬件性能指標(biāo)上均與賽靈思高端產(chǎn)品有較大差距。

相對(duì)于A(yíng)SIC，F(xiàn)PGA具有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1、可編輯，更靈活

2、產(chǎn)品上市時(shí)間短，節(jié)省了 ASIC 流片周期

3、避免一次性工程費(fèi)用，用量較小時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)。

1）靈活性：通過(guò)對(duì) FPGA 編程，F(xiàn)PGA 能夠執(zhí)行 ASIC 能夠執(zhí)行的任何邏輯功能。FPGA 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其靈活性，即隨時(shí)可以改變芯片功能，在技術(shù)還未成熟的階段，這種特性能夠降低產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn)，在 5G 初期這種特性尤為重要。

2）上市時(shí)間：由于 FPGA 買(mǎi)來(lái)編程后既可直接使用，F(xiàn)PGA 方案無(wú)需等待三個(gè)月至一年的芯片流片周期，為企業(yè)爭(zhēng)取了產(chǎn)品上市時(shí)間。

3）成本：FPGA 與 ASIC 主要區(qū)別在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒(méi)有，在使用量小的時(shí)候，F(xiàn)PGA 方案由于無(wú)需支付一次性百萬(wàn)美元的流片成本，同時(shí)也不用承擔(dān)流片失敗風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)PGA 方案的成本低于 ASIC，隨著使用量的增加，F(xiàn)PGA 方案在成本上的優(yōu)勢(shì)逐漸縮小，超過(guò)某一使用量后，ASIC 方案由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，在成本上更有優(yōu)勢(shì)。

FPGA 方案和 ASIC 方案成本比較

4）技術(shù)趨勢(shì)：制程迭代驅(qū)動(dòng) 33 年發(fā)展，平臺(tái)型產(chǎn)品是未來(lái)。

1985 年賽靈思發(fā)明 FPGA 以來(lái)，其容量提高了一萬(wàn)倍以上，速度提高了一百倍以上，價(jià)格和能耗縮小了一千倍以上。受到先進(jìn)制程迭代的推動(dòng)，F(xiàn)PGA 的架構(gòu)不斷更新。1985 年，Xilinx 公司推出了全球第一款 FPGA 產(chǎn)品 XC2064，采用 2μm 工藝，包含 64 個(gè)邏輯模塊和 85，000 個(gè)晶體管，門(mén)數(shù)量不超過(guò) 1000 個(gè)。

對(duì)比 2016 年賽靈思發(fā)布的 VIRTEX UltraScale，16nm 制程，系統(tǒng)邏輯單元最高達(dá)378 萬(wàn)個(gè)。FPGA 制程迭代在提高算力的同時(shí)降低了功耗，減小了芯片面積，推動(dòng)了 FPGA 的性能提升。

未來(lái)，在技術(shù)趨勢(shì)上，制程迭代+平臺(tái)產(chǎn)品將是未來(lái)產(chǎn)品發(fā)展方向。我們?nèi)匀豢春孟冗M(jìn)制程帶給 FPGA 的性能提升，同時(shí)新的產(chǎn)品形態(tài)（平臺(tái)型產(chǎn)品）的出現(xiàn)讓FPGA 性能有了進(jìn)一步提升的可能。

Xilinx 和 Intel 相繼發(fā)布 ACAP 和 Agilex 平臺(tái)型產(chǎn)品，根據(jù) Xilinx 披露的數(shù)據(jù)，新的平臺(tái)型產(chǎn)品速度超過(guò)當(dāng)前最高速的 FPGA 20倍、比目前最快的 CPU 快 100 倍，該平臺(tái)面向數(shù)據(jù)中心、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、5G 無(wú)線(xiàn)和汽車(chē)駕駛輔助應(yīng)用。產(chǎn)品進(jìn)展方面，2019 年 6 月 19 日 Versal AI Core 及 Versal Prime系列組件小規(guī)模出貨，量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)在 2019 下半年。

技術(shù)、專(zhuān)利、人才壁壘高，國(guó)產(chǎn)替代迎難而上

FPGA是一個(gè)技術(shù)壁壘高的行業(yè)，有人認(rèn)為FPGA公司就是半個(gè) IC 設(shè)計(jì)公司+半個(gè)軟件公司，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且良率低，軟硬協(xié)同再提研發(fā)難度。FPGA 企業(yè)的硬件開(kāi)發(fā)部分屬于典型的 IC 設(shè)計(jì)企業(yè)，與一般 IC設(shè)計(jì)企業(yè)不同的是。

由于 FPGA 硬件需要配套 EDA 軟件一起使用，F(xiàn)PGA 公司通常需要自行研發(fā)適配自家硬件的 EDA 軟件，因此也算半個(gè) EDA 軟件公司。由于FPGA 版圖及布線(xiàn)復(fù)雜，硬件設(shè)計(jì)難度較大，加之軟件和硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)工程的難度再升級(jí)。

核心專(zhuān)利被頭部公司壟斷，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商披荊斬棘艱難前行，專(zhuān)利有效期結(jié)束或帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。在專(zhuān)利上國(guó)外廠(chǎng)商目前占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Xilinx 和 Altera （Intel）在 FPGA 領(lǐng)域的專(zhuān)利數(shù)近 10，000 個(gè)，而國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商如紫光同創(chuàng)專(zhuān)利數(shù)僅約 200 項(xiàng)，相差懸殊。未來(lái)隨著部分專(zhuān)利的有效期結(jié)束，及國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商在新專(zhuān)利上的突破，專(zhuān)利上的壟斷格局或迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化程度低，硬件自主可控進(jìn)程難以阻擋，國(guó)產(chǎn)當(dāng)自強(qiáng)。產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，硬件產(chǎn)業(yè)鏈中目前自主可控程度較低，尤其在高端半導(dǎo)體設(shè)備和材料領(lǐng)域，未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈上下游國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的推進(jìn)也將助力國(guó)產(chǎn) FPGA 加速發(fā)展。

硬件部分上游：EDA+IP。硬件開(kāi)發(fā)用的EDA仍是Cadence、Synopsys及 MentorGraphics，IP來(lái)源包括外部授權(quán)和內(nèi)部開(kāi)發(fā)。

硬件部分下游：代工廠(chǎng)+封測(cè)。其中代工廠(chǎng)國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商主要與臺(tái)積電及中芯國(guó)際合作，封測(cè)主要和日月光等合作。

FPGA 硬件產(chǎn)業(yè)鏈

全球 63 億美元市場(chǎng)，Xilinx 與 Intel雙寡頭

FPGA 是集成電路大產(chǎn)業(yè)中的小領(lǐng)域，5G 和 AI 為行業(yè)增長(zhǎng)提供確定性，國(guó)產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn) FPGA 市場(chǎng)騰飛在即。根據(jù) WSTS 的數(shù)據(jù)，2018 年全球集成電路市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 4，688 億美元，同期全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約 63 億美元，僅占集成電路市場(chǎng)約 1.34%。

市場(chǎng)雖小，但未來(lái)受益于 5G 基礎(chǔ)設(shè)施全球布局及 AI技術(shù)持續(xù)發(fā)展，F(xiàn)PGA 行業(yè)需求量增長(zhǎng)具確定性。行業(yè)增長(zhǎng)下，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程將進(jìn)一步加速?lài)?guó)產(chǎn) FPGA 的增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2017 年國(guó)內(nèi)FPGA 市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)率低于 1%，隨著技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn) FPGA 騰飛在即。

全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)攀升，亞太是 FPGA 主要市場(chǎng)，未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展可期。根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模 2019 年達(dá)到 69 億美元，2025 年達(dá)到 125億美元，未來(lái)市場(chǎng)增速穩(wěn)中有升。亞太區(qū)占比達(dá)到 42%，是 FPGA 主要市場(chǎng)，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約 100 億人民幣，未來(lái)隨著中國(guó) 5G 部署及 AI 技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)FPGA 規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模

國(guó)外三巨頭占據(jù) 90%全球市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商暫時(shí)落后。FPGA 市場(chǎng)呈現(xiàn)雙寡頭壟斷格局，Xilinx 和 Intel 分別占據(jù)全球市場(chǎng) 56%和 31%，在中國(guó) FPGA 市場(chǎng)中，占比也高達(dá) 52%和 28%，由于技術(shù)、資金、人才上的壁壘及 FPGA 量產(chǎn)帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者地位較為穩(wěn)定。

全球 FPGA 市場(chǎng)份額按公司分布

國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商目前在中國(guó)市場(chǎng)占比約 4%，未來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商技術(shù)突破，F(xiàn)PGA 領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)替代或?qū)⑹前賰|級(jí)的機(jī)會(huì)，替代空間廣闊。

中國(guó) FPGA 市場(chǎng)份額按公司分布

5G+AI 催化行業(yè)增長(zhǎng)，下游需求欲乘風(fēng)而起

通信、消費(fèi)電子、汽車(chē)是 FPGA 下游存量應(yīng)用場(chǎng)景，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。由于相對(duì)于 ASIC 的三方面優(yōu)勢(shì)（靈活性、上市時(shí)間、成本），F(xiàn)PGA 的下游應(yīng)用場(chǎng)景較為豐富。

包括：ASIC 原型設(shè)計(jì)、汽車(chē)、收發(fā)器、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試/測(cè)量、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通信等。其中通信、消費(fèi)電子和汽車(chē)是主要應(yīng)用場(chǎng)景，2017 年三塊場(chǎng)景 FPGA 需求占總需求比例達(dá)到 79.4%，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

FPGA 市場(chǎng)規(guī)模按下游應(yīng)用場(chǎng)景分

應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)保持分散的格局，ASIC 在成本上的規(guī)模經(jīng)濟(jì)限制了 FPGA 應(yīng)用場(chǎng)景的集中度，F(xiàn)PGA 不可替代性奠定市場(chǎng)基礎(chǔ)。由于 ASIC 具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，當(dāng)單一芯片產(chǎn)品用量極大時(shí)（一般為超過(guò) 10 萬(wàn)片），使用 ASIC 方案將有成本優(yōu)勢(shì)。

因此 FPGA 的應(yīng)用場(chǎng)景被限制在了用量小、技術(shù)不穩(wěn)定、靈活性需求高的領(lǐng)域，一旦技術(shù)成熟且需求放量，終端廠(chǎng)商就會(huì)考慮 ASIC 方案替代 FPGA 方案來(lái)降低成本。

但由于 FPGA 在用量小、技術(shù)不穩(wěn)定及靈活性需求高的領(lǐng)域具有不可替代性，F(xiàn)PGA 的市場(chǎng)基礎(chǔ)穩(wěn)固，未來(lái)量的增長(zhǎng)主要看新技術(shù)帶來(lái)的新周期。

國(guó)產(chǎn) FPGA 廠(chǎng)商產(chǎn)品下游應(yīng)用場(chǎng)景更偏重消費(fèi)電子，未來(lái)在通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)值得期待。根據(jù) Xilinx 的年報(bào)，2019 財(cái)年（財(cái)年結(jié)日為 2019 年 3 月 30 日）其產(chǎn)品終端應(yīng)用場(chǎng)景及占比為通信（36%）、工業(yè)航空及國(guó)防（28%）、數(shù)據(jù)中心及封測(cè)醫(yī)療仿真（20%）、汽車(chē)廣播及消費(fèi)電子（15%）。

而國(guó)產(chǎn) FPGA 廠(chǎng)商由于產(chǎn)品性能相對(duì)落后，在高端民用領(lǐng)域暫時(shí)不具有競(jìng)爭(zhēng)力，但在 LED 顯示、工業(yè)等領(lǐng)域出貨量較大。隨著國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商技術(shù)突破，未來(lái)在通信市場(chǎng)份額的提高將開(kāi)啟國(guó)產(chǎn) FPGA廠(chǎng)商增長(zhǎng)。

1）全球 5G 浪潮席卷而來(lái)，F(xiàn)PGA 量?jī)r(jià)齊升在即

FPGA 是 5G 基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備的零部件，5G 全球部署持續(xù)推進(jìn)，基站、IoT、終端設(shè)備、邊緣計(jì)算的 FPGA 用量將顯著提升。通信是 FPGA 下游應(yīng)用場(chǎng)景中規(guī)模最大的分支，根據(jù) MRFR 的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 通信市場(chǎng)規(guī)模 2017 年達(dá) 23.5 億美元，占整體 FPGA 應(yīng)用市場(chǎng)比例超 40%，2017-2025 年 CAGR 預(yù)計(jì) 8%。

全球 5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程下，F(xiàn)PGA 作為核心零部件，用量也會(huì)隨之提升，5G 應(yīng)用中，IoT、終端設(shè)備及邊緣計(jì)算領(lǐng)域的 FPGA 需求也將增長(zhǎng)。未來(lái)在通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)具有確定性。

相比較 CPU 和 GPU，通信領(lǐng)域 FPGA 在 I/O 、運(yùn)算速度及延遲上均具有優(yōu)勢(shì)。在 5G 建設(shè)初期，F(xiàn)PGA 可以被用于基站天線(xiàn)的收發(fā)器中，5G 時(shí)代 Massive MIMO技術(shù)讓收發(fā)通道數(shù)從 16T16R 提高到 64T64R 甚至 128T128R，F(xiàn)PGA 可以用于多通道信號(hào)波束成形。目前業(yè)界在 FPGA 和 ASIC 方案的選擇上具有差異，京信通信等公司采用更加靈活的 FPGA 方案。

64 通道毫米波 MIMO 全 DBF 收發(fā)器簡(jiǎn)化框圖

以一個(gè) 64 通道毫米波 MIMO 全 DBF 收發(fā)器為例，如圖收發(fā)器分為兩部分，左半部分為中頻&基帶子系統(tǒng)，包涵 Xilinx 的 Kintex-7 FPGA；右半部分為毫米波收發(fā)器射頻前端，包涵中頻振蕩器及電源管理模組等。每一個(gè)基帶子板（baseband daughter board）中都具有一塊 Xilinx’s Kintex-7 FPGA，2 個(gè)雙通道 12-bit ADC，1 個(gè)4 通道 16-bit DAC，2 個(gè) QSFP+光接口用于通用無(wú)線(xiàn)接入。

5G時(shí)代，F(xiàn)PGA 面臨價(jià)提量升

價(jià)提：FPGA 主要用在收發(fā)器的基帶中，5G 時(shí)代由于通道數(shù)的增加，計(jì)算復(fù)雜度增加，所用 FPGA 的規(guī)模將增加，由于 FPGA 的定價(jià)與片上資源正相關(guān)，未來(lái)通信領(lǐng)域 FPGA 單顆成本也將上升，目前基站收發(fā)器中的 FPGA 單價(jià)通常在幾百元人民幣的范圍，未來(lái)有望進(jìn)一步提高。收發(fā)器的主要成本和功耗由基帶部分貢獻(xiàn)，未來(lái)技術(shù)復(fù)雜度將再次推升收發(fā)器成本，進(jìn)而傳導(dǎo)到基站 AAU 價(jià)格上升。

量增：5G 帶來(lái)的出貨量提高來(lái)源于兩方面，

1. 通信基站數(shù)量提高帶動(dòng) FPGA 零部件用量提高。5G 初期基站鋪設(shè)數(shù)量環(huán)比提高，另一方面由于 5G 信號(hào)衰減較快，小基站需求量巨大，未來(lái)十年有望超 1000 萬(wàn)座，同比 4G 時(shí)期增長(zhǎng)明顯。

2. 單基站 FPGA 用量提高帶動(dòng) FPGA 通信市場(chǎng)用量整體提高。由于 5G Massive MIMO的高并發(fā)處理需求，單基站 FPGA 用量有望從 4G 時(shí)期 2-3 塊提高到 5G 時(shí)期 4-5塊，將帶動(dòng) FPGA 整體用量。

2）自動(dòng)駕駛漸成熟，增量空間大門(mén)打開(kāi)

汽車(chē)半導(dǎo)體 389 億市場(chǎng)規(guī)模，F(xiàn)PGA 目前僅占 2.4%，自動(dòng)駕駛發(fā)展將提高 FPGA價(jià)值占比。汽車(chē)芯片分為主控芯片和功能芯片（MCU）。主控芯片包括 GPU、FPGA、ASIC 等，F(xiàn)PGA 在汽車(chē)多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其在相機(jī)和傳感器中的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟。

汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模

根據(jù) Bloomberg 數(shù)據(jù)，汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模 2017 年達(dá)到 388.6 億美元，其中 FPGA 為 9.5 億美元，占比僅 2.44%。FPGA 依托其靈活性及并行處理能力，在汽車(chē)的攝像頭及激光雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展將提高 FPGA 在汽車(chē)半導(dǎo)體中的價(jià)值占比。

汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)份額

FPGA 巨頭搶道智能駕駛，L5 級(jí)產(chǎn)品值得期待。目前賽靈思布局主要在 L1-L3，NVIDIA 和 Intel 的最新系列產(chǎn)品劍指 L5 完全自動(dòng)駕駛。但是由于政策影響加上自動(dòng)駕駛事故頻發(fā)，即使技術(shù)達(dá)到 L5 級(jí)別，仍無(wú)法在全球道路上實(shí)現(xiàn) L5 操作。

2018 年賽靈思完成對(duì)深鑒科技的收購(gòu)后進(jìn)一步加強(qiáng)其在汽車(chē)領(lǐng)域的布局。目前賽靈思的 FPGA 自動(dòng)駕駛解決方案的客戶(hù)包括百度、?？低?/u>、中科慧眼、元橡科技、極目科技等。截至 2018 年，賽靈思的產(chǎn)品在 29 個(gè) OEM 品牌的 111 種車(chē)型上得到了應(yīng)用。在激光雷達(dá)芯片領(lǐng)域，賽靈思占有約 90%的市場(chǎng)。