一文看懂FPGA芯片产业链及竞争格局

  赛灵思联合创始人Ross Freeman于1984年发明FPGA集成电路结构。全球第一款商用FPGA芯片为赛灵思XC4000系列FPGA产品。

  FPGA芯片按固定模式处理信号，可执行新型任务（计算任务、通信任务等）。FPGA芯片相对专用集成电路（如ASIC芯片）更具灵活性，相对传统可编程器件可添加更大规模电路数量以实现多元功能。

  物理结构：FPGA芯片主要由三部分所组成，分别为IOE（input output element，输入输出单元）、LAB（logic array block，逻辑阵列块，赛灵思定义为可配置逻辑块CLB）以及Interconnect（内部连接线、FPGA芯片的特点及分类

  FPGA芯片在实时性（数据信号处理速度快）、灵活性等方面具备显著优势，在深度学习领域占据不可替代地位，同时具有开发难度高的特点。

  CPU为通用型器件，FPGA架构相对CPU架构偏重计算效率，依托FPGA并行计算处理视觉算法可大幅度的提高计算速率，降低时延

  CPU通过专用译码器接收任务指令，接收过程分为两步：指令获取（CPU从专门存放指令的存储器中提取执行指令）以及指令翻译（根据特定规则将指令翻译为数据并传输至计算单元）。其中计算单元为晶体管（CPU基本元件），“开”、“关”分别对应“1”、“0”机器码数字。 CPU处理计算指令特点： CPU物理结构包括Control（指令获取、指令翻译）、Cache（临时指令存储器）、计算单元ALU（约占CPU空间20%）。

  CPU为通用型计算任务处理核心，可处理来自多个设备的计算请求，可随时终止当前运算，转向其他运算。 逻辑控制单元及指令翻译结构较为复杂，可从中断点继续计算任务，为实现高度通用性而牺牲计算效率。

  “FPGA+CPU”架构：此架构下，图像在CPU与FPGA之间传输，包含传输时间在内的算法整体处理时间仍低于纯CPU架构。

  顶点处理：GPU读取3D图形顶点数据，根据外观数据确定3D图形形状、位置关系，建立3D图形骨架。

  灵活性：FPGA可根据特定应用编程硬件，GPU设计完成后无法改动硬件资源，远期机器学习使用多条指令平行处理单一数据，FPGA硬件资源灵活性更能满足需求。

  ASIC芯片专用度高，开发流程非重复成本（流片）极高，5G商用普及初期，FPGA可依托灵活性抢占市场，但规模化量产场景下，ASIC芯片更具竞争优势

  ASIC与FPGA经济成本、时间成本区别：ASIC设计过程涉及固定成本，设计过程造成材料浪费较少，相对FPGA重复成本较低，非重复成本较高（平均超百万美元）。

  FPGA芯片构成人工智能芯片重要细分市场，产业链细长，FPGA厂商作为中游企业对上游软、硬件供应商及下游客户企业议价能力均较强

  FPGA芯片作为可编程器件，流片需求较少，对上游代工厂依赖度较低，需专业设计软件、算法架构支持。

  专用软件供应商FPGA芯片企业需通过EDA等开发辅助软件（quartus、vivado等）完成设计。可提供EDA软件的国际一流企业（如Synopsys）向芯片研发企业收取高昂模块使用费。中国市场可提供EDA产品的企业较少，以芯禾电子、华大九天 、博达微科技等为代表，中国EDA企业研发起步较晚，软件产品稳定性、成熟度有待提升。中国FPGA芯片研发企业采购境外EDA软件产品成本高昂，远期有待境内EDA企业消除与境外同类企业差距，为中游芯片公司可以提供价格友好型EDA产品。

  当前中国主流晶圆厂约30家，在规格上分别涵盖8英寸晶圆、12英寸晶圆。其中，8英寸晶圆厂相对12英寸晶圆厂数量较多。中国本土12英寸晶圆厂以武汉新芯、中芯国际、紫光等为例，平均月产能约65千片。在中国设立晶圆厂的境外厂商包括Intel、海力士等。中国晶圆厂发展速度较快，如武汉新芯12寸晶圆以平均月产能200千片超过海力士平均月产能160千片。

  中国FPGA芯片行业中游企业拥有较大利润空间，随研发能力积累及应用市场成熟，中业格局或发生裂变，从发展硬件、器件研发业务转向发展软件、平台搭建业务。

  相较赛灵思、Intel等巨头，中国FPGA在研发方面起步晚，但研发进度逐渐赶上（与全球头部厂商相差3代缩短至约2代）。2017年起，中国FPGA迈入发展关键阶段（从反向设计向正向设计全面过渡）。本报告期内中美贸易摩擦加剧背景下，完成初期积累的中国FPGA行业中游企业面临较好发展机遇。相对全球集成电路领域超4,600亿美元市场规模，FPGA市场规模较小，存在增量释放空间。产业格局或发生变化：

  中国FPGA芯片行业下游应用市场覆盖范围广泛，以电子通信、消费电子占据头部，工业控制、机器人控制、视频控制、无人驾驶与服务器等多领域具备巨大发展潜力。

  2018年，通信、消费电子、汽车三大场景构成全球FPGA芯片总需求规模约80%以上，且市场规模持续扩大。FPGA器件作为5G基站、汽车终端设备、边缘计算设备核心器件，加速效果非常明显，面临下游市场确定性增量需求。随中游本土企业实力提升，远期国产FPGA芯片产品或以低价优势切入下游市场，降低下游企业采购高端可编程器件成本。

  应用场景对FPGA芯片存量需求持续提升，5G、人工智能技术发展推动中国FPGA市场扩张，刺激增量需求释放。

  下游应用场景趋于广泛：FPGA芯片相对ASIC更具灵活性，可节省流片时间成本，上市时间短，应用场景从通信收发器、消费电子等拓展至汽车电子、数据中心、高性能计算、工业视觉、医疗检测等，短期内中国FPGA应用场景保持分散格局，存量市场、增量市场均存在扩容空间。

  安全保证硬件模块设计多用于加密密钥、数字权限管理密钥、密码、生物识别参考数据等领域。相对2016年，2018年全球FPGA安全特性模块设计项目占比明显地增加（增幅超5%）。安全特性提升增加设计验证需求及验证复杂度。

  ①嵌入式处理器核心数量增加：相对2016年，2018年更多FPGA设计趋向SoC类（SoC-class）设计。2018年，超过40%FPGA设计包含2个或2个以上嵌入式处理器，接近15%FPGA设计包含4个或以上嵌入式处理器，SoC类设计增加验证流程复杂性。

  FPGA在机器学习领域表现优越 性能对比可参考赛灵思公开测试结果针对GPU、FPGA在机器学习领域的性能表现，赛灵思曾公布reVISION系列FPGA芯片与英伟达Tegra X1系列GPU芯片基准对比结果。多个方面数据显示，FPGA方案在单位功耗图像捕获速度方面优于GPU方案6倍，在计算机视觉处理帧速率方面优于GPU方案42倍，同时，FPGA时延为GPU时延1/5。赛灵思FPGA与Intel芯片能效对比相对Intel Arria 10 SoC系列CPU器件，赛灵思FPGA器件可助力深度学习、计算机视觉运算效率提升3倍至7倍。

  FPGA对流处理来优化FPGA方案可针对视频分析、深度学习推理进行流处理（大数据处理手段技术之一）优化。基于灵活可编程特点，FPGA方案可满足重新配置需求，适用于库存管理、欺诈控制、面部识别等普通模型以及跟踪、自然语言交互、情感检测等复杂模型。

  新型基站天线收发器采用FPGA芯片5G时期Massive MIMO基站技术条件下，基站收发通道数量从16T16R（双模解决方案）提升至最高128T128R，可采用FPGA芯片实现多通道信号波束成形。如64通道毫米波MIMO全DBF收发器中频和基带子系统采用赛灵思Kintex-7系列FPGA。中频和基带子系统叠加实现通用无线接入功能。

  全球FPGA通信市场迅速增加截至2018年底，全球FPGA通信市场占据应用市场整体近45%。2020年至2025年，全球FPGA通信市场规模年复合增长率预计近10%。

  现阶段，FPGA芯片在车载摄像头、传感器等硬件设备中的应用趋于成熟。此外，得益于编程灵活性，FPGA芯片在激光雷达领域应用广泛。无人驾驶汽车高度依赖传感器、摄像头等硬件设备及车内网等软件系统，对FPGA芯片数量需求显著。头部FPGA厂商（如赛灵思）抢占智能驾驶赛道，逐步加大与车企及车联网企业的合作，截至2018年底，赛灵思FPGA方案嵌入车型拓展至111种。

  FPGA在无人驾驶系统领域应用覆盖面广FPGA芯片在无人驾驶领域可应用于ADAS系统、激光雷达、自动泊车系统、马达控制、车内娱乐信息系统、驾驶员信息系统等板块，应用面广泛。具体可以魔视智能自动泊车系统为例，该系统将FPGA芯片接入车内网CAN总线，连接蓝牙、SD卡等通信组件，并通过MCU等与摄像头、传感器装置连接。FPGA大厂赛灵思积极布局ADAS领域。远期ADAS系统更趋复杂（包括前视摄像头、驾驶监视摄像头、全景摄像头、近程雷达、远程激光雷达等），推动FPGA用量空间增大。2025年，自动驾驶进入规模化商用阶段，将持续推动FPGA与汽车电子、车载软件系统的融合。

  FPGA芯片设计领域门槛高（高于CPU、存储器、DSP），中国本土厂商起步晚，处于产业生态建设初期阶段，在人才资源储备方面基础薄弱。

  中国FPGA领域人才储备约为美国相应人才储备1/10。根据中国国际人才交流基金会等机构发布的《中国集成电路产业人才白皮书》显示，截至2018年底，中国集成电路产业存量人才约40万人，该产业人才需求约于2020年突破70万人，存在约30万人以上人才缺口。在FPGA板块，美国头部厂商Intel、赛灵思、Lattice等及高校和研究机构相关人才近万人，相对而言，中国FPGA设计研发人才匮乏，头部厂商如紫光同创、高云半导体、安路科技等研发人员储备平均不足200人，产业整体人才团队不足千人，成为制约中国FPGA芯片行业技术发展、产品升级的核心因素。

  全球头部FPGA厂商依托专利技术积累及人才教育培训，以及早于中国企业20年的发展经历，在全世界牢固占据第一梯队阵营。FPGA行业进入门槛高，中国头部企业较难取得后发优势。现阶段，赛灵思已进入7纳米工艺亿门级高端FPGA产品研制阶段，中国头部厂商如紫光同创、高云半导体等启动28纳米工艺千万门级（7,000万）中高密度FPGA研发工作，与全球顶尖水平相差约2代至3代，亟需人才资源支持。

  为进一步引导FPGA行业有序发展，凸显集成电路产业战略地位，国家政策部门整合行业、市场、用户资源，为中国集成电路企业向国际第一梯队目标发展打造政策基础。

  全球FPGA芯片市场之间的竞争高度集中，头部厂商占领“制空权”，新入局企业通过产品创新为行业发展提供动能，智能化市场需求或将FPGA技术推向主流。

  截至2018年底，全世界FPGA市场规模由赛灵思占据首位（49%），英特尔（Altera）占比超30%，Lattice及Microsemi占据全球市场规模均超5%。相对而言，中国厂商整体仅占全球FPGA市场占有率不足3%。

  FPGA芯片行业形成以来，全世界约有超70家公司参与竞争，新创企业层出不穷（如Achronix Semiconductor、MathStar等）。产品创新为行业发展提供动能，除传统可编程逻辑装置（纯数字逻辑性质），新型可编程逻辑装置（混讯性质、模拟性质）创新速度加快，具体如Cypress Semiconductor 研 发 具 有 可 组 态 性 混 讯 电 路 PSoC（Programmable System on Chip），再如Actel推出Fusion（可程序化混讯芯片）。此外，部分新创企业推出现场可编程模拟数组FPAA（Field Programmable Analog Array）等。

  中国FPGA芯片研发公司能够紫光同创、国微电子、成都华微电子、安路科技、智多晶、高云半导体、上海复旦微电子和京微齐力为例。从产品角度分析，中国FPGA硬件性能指标相较赛灵思、Intel等差距较大。紫光同创是当前中国市场唯一具备自主产权千万门级高性能FPGA研发制造能力的企业。上海复旦微电子于2018年5月推出自主知识产权亿门级FPGA产品。中国FPGA企业紧跟大厂步伐，布局人工智能、无人驾驶等市场，打造高、中、低端完整产品线。

  中国FPGA芯片行业竞争主体包括研发类企业及应用解决方案供应商，随人工智能、物联网、5G技术速发展推动，中国FPGA厂商迎来市场切入最佳时期。

  中国FPGA厂商特点：FPGA芯片行业竞争高度集中，中国FPGA厂商多以40nm、55nm产品系列为主，在中国市场及全球市场竞争力尚不可与赛灵思、英特尔匹敌（制造工艺、规模容量、软件能力均处于劣势）。中国厂商亟需在高集中度市场中寻求突围路径。2017年，通信行业刚需加速FPGA芯片国产化进程，但中国厂商多采取“低价竞争”策略，没办法实现良性、可持续竞争。

  应用解决方案企业：应用解决方案供应商具体可以联捷科技、深维科技、傲睿智存为例。

  中国FPGA芯片行业TOP10企业逐步推进FPGA技术国产化进程，受制造能力、封测工艺、IP资源等因素影响，中国FPGA芯片企业技术创新实力亟待提升。

  安路科技：开展28nm、12nm千万门级、五千万门级FPGA、SoCFPGA研发工作，自主开发HDL描述至片上调试的完整系统

  由C端至B端：中国范围C端市场（应用侧）易出爆款，短期内高清云游戏、高清视频可催生大量应用场景。随用户端应用场景数量增加，设备对底层计算资源依赖度提升，市场规模扩容较快，专业的人建议投资团队寻找有应用落地价值的细分场景来投资（金融大数据分析、图像视频处理、基因测序、精准医疗、语音识别、图像识别等）。C端应用成熟后，投资团队可集中考虑B端需求，被投对象可集成解决方案、FPGA第三方，自主开发PaaS平台，针对银行客户、政府客户等提供产品化服务。

  由场景至技术：FPGA芯片底层研发技术难度高，投入大，专业的人建议投资团队应从场景投资逐步过渡至技术投资，技术投资思路可参考海康、大华、深鉴科技等企业研发模式。该类企业利用FPGA半定制化基础做边缘侧芯片（倾向人脸识别、安防轨迹跟踪、新零售场景摄像头等），该类技术基于既有硬件做再开发，投资风险相对底层技术研发较小。

  深挖应用场景输出功能特性服务：无法于短期内迅速提升竞争力的企业可推出针对细分场景的专用FPGA芯片，仅输出算法，经由代工厂推出芯片，在得到应用场景市场验证的背景下提供具备针对性功能特性的板卡解决方案。

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