FPGA定義、優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)規(guī)模、格局及壁壘分析

FPGA市場(chǎng)空間廣闊，F(xiàn)PGA軟硬件生態(tài)系統(tǒng)建立極高的行業(yè)壁壘。

1.什么是FPGA？

FPGA 的主要特點(diǎn)是門(mén)陣列、可編程和現(xiàn)場(chǎng)。FPGA（Field Programmable Gate Array） 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)PGA 是邏輯芯片的一種，它的主要特點(diǎn)是門(mén)陣列、可編程和現(xiàn)場(chǎng)。FPGA 最主要的組成部分是大量的邏輯門(mén)陣列，F(xiàn)PGA 的邏輯門(mén)是通過(guò)查找表（Lookup-Table，LUT） 的方式實(shí)現(xiàn)的；FPGA 的最小邏輯單元包括查找表、寄存器、選擇器、算數(shù)運(yùn)算單元等，英特 爾將最小邏輯單元稱(chēng)為 ALM（自適應(yīng)邏輯單元），Xilinx 稱(chēng)之為 CLB（可配置邏輯模塊）；通過(guò) 對(duì)邏輯門(mén)陣列的排列組合，可以得到基于邏輯門(mén)的運(yùn)算單元，進(jìn)一步可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的功能模 塊，最終實(shí)現(xiàn)特定功能的 IP；大部分?jǐn)?shù)字芯片都是通過(guò)使用不同功能的 IP，實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功 能。

現(xiàn)場(chǎng)可編程能力使得 FPGA 具有極高的靈活性。FPGA 的可編程性是指可以對(duì)邏輯陣列進(jìn)行編程，從而改變 FPGA 實(shí)現(xiàn)的邏輯功能；用戶(hù)對(duì)專(zhuān)用芯片的編程主要是通過(guò)改變芯片上的寄 存器配置實(shí)現(xiàn)的，這并不會(huì)改變芯片的主要功能，而 FPGA 可以對(duì)邏輯門(mén)陣列進(jìn)行重復(fù)編程， 使得 FPGA 可以在邏輯層面改變自身的硬件結(jié)構(gòu)，靈活性極高。最后，F(xiàn)PGA 的“現(xiàn)場(chǎng)”編程 能力是指 FPGA 可以在使用時(shí)進(jìn)行編程，無(wú)須將芯片拆下返回生產(chǎn)廠家進(jìn)行編程。FPGA 是一 種包含大量邏輯門(mén)陣列的芯片，可以現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)編程改變自身的硬件邏輯，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何 數(shù)字電路的功能。

FPGA 和 ASIC 各有優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA 在現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程能力、更短的產(chǎn)品上市時(shí)間、項(xiàng)目周 期可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)、在小批量上成本低等方面具有優(yōu)勢(shì)。專(zhuān)用集成電路（ASIC）是一種為專(zhuān)門(mén)目 的而設(shè)計(jì)的集成電路，ASIC 的特點(diǎn)是面向特定用戶(hù)的需求，ASIC 在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電 路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性高、性能高、保密性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。FPGA 是作 為 ASIC 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，解決了 ASIC 的不足和原有可編程器件門(mén)電路數(shù) 量有限的缺點(diǎn)。相比于 ASIC，F(xiàn)PGA 最大的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程來(lái)實(shí)現(xiàn)任意我們需要的數(shù) 字功能組合，F(xiàn)PGA 設(shè)計(jì)在更短的產(chǎn)品上市時(shí)間、項(xiàng)目周期可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)、在小批量上成本低、 可并行工作提高效率等方面具有優(yōu)勢(shì)。

FPGA 和 ASIC 的使用要根據(jù)產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)需求來(lái)進(jìn)行選擇。ASIC 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì) 規(guī)模特別大或技術(shù)非常成熟的芯片，如 CPU、DSP、存儲(chǔ)器等；而 FPGA 產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī) 模適中，產(chǎn)品要求快速占領(lǐng)市場(chǎng)或產(chǎn)品需要靈活變動(dòng)的特性設(shè)計(jì)等方面的產(chǎn)品，如無(wú)線通信設(shè) 備和部分的接口轉(zhuǎn)換芯片等。

2.全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模達(dá)百億美元，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展驅(qū)動(dòng)未來(lái)成長(zhǎng)空間廣闊

應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展驅(qū)動(dòng) FPGA 市場(chǎng)未來(lái)成長(zhǎng)空間廣闊。由于 FPGA 芯片的現(xiàn)場(chǎng)可編程能 力帶來(lái)的靈活性和以及不斷提升的芯片性能，下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，主要包括工業(yè)控制、網(wǎng) 絡(luò)通信、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)電子、人工智能等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域均具有一定的成長(zhǎng)性， 驅(qū)動(dòng) FPGA 市場(chǎng)未來(lái)成長(zhǎng)空間廣闊。 全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)百億美元，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)加速增長(zhǎng)。根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù) 據(jù)，2020 年全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模約 60.8 億美元，預(yù)計(jì)全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將從 2021 年的 68.6 億美元增長(zhǎng)至 2025 年的 125.8 億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為 16.4%。近幾年中國(guó) FPGA 市場(chǎng)持續(xù)加速增長(zhǎng)，根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，中國(guó) FPGA 市場(chǎng) 2020 年的市場(chǎng)規(guī)模約 150.3 億元，預(yù)計(jì) 2025 年中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 332.2 億元，復(fù)合增速為 17.2%。

中國(guó) FPGA 市場(chǎng)下游以通信和工業(yè)領(lǐng)域?yàn)橹鳎斯ぶ悄堋⑵?chē)電子、數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域 引領(lǐng)行業(yè)增長(zhǎng)。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，中國(guó) FPGA 市場(chǎng) 2020 年的市場(chǎng)規(guī)模約 150.3 億 元，其中通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為 62.1 億元，占比 41.32%，是國(guó)內(nèi)最大的下游市場(chǎng)；工業(yè)行業(yè)市 場(chǎng)規(guī)模為 47.4 億元，占比 31.54%；中國(guó) FPGA 市場(chǎng)通信和工業(yè)領(lǐng)域占比超過(guò) 70%，是國(guó)內(nèi) FPGA 廠商進(jìn)行國(guó)產(chǎn)替代最主要的領(lǐng)域；其他市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)較小，數(shù)據(jù)中心占比 10.71%、汽 車(chē)電子占比 6.32%、消費(fèi)電子占比 6.25%、人工智能占比 3.86%，近幾年新興市場(chǎng)加速發(fā)展， 下游應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有更高需求，F(xiàn)PGA 在人工智能、汽車(chē)電子和數(shù)據(jù)中心等新興市 場(chǎng)的拓展進(jìn)一步引領(lǐng)行業(yè)增長(zhǎng)。

工業(yè)智能化、無(wú)人化趨勢(shì)推動(dòng) FPGA 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。受益于工業(yè)智能化、無(wú)人化的 發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)PGA 芯片高效能、實(shí)時(shí)性、高靈活性的特點(diǎn)使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，F(xiàn)PGA 大量應(yīng)用在伺服控制、機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)機(jī)器人、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)控制和運(yùn) 算加速功能。中國(guó) FPGA 工業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)百億元，工業(yè)是 FPGA 的主要下游應(yīng)用領(lǐng)域之一。工業(yè)是 FPGA 的主要下游應(yīng)用領(lǐng)域之一，根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)，2020 年中國(guó)工業(yè) FPGA 市場(chǎng) 銷(xiāo)售額為 47.4 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 31.5%，預(yù)計(jì) 2021-2025 年年復(fù)合增速將 達(dá)到 16.1%，到 2025 年工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 100 億元。

高靈活性和數(shù)據(jù)處理能力驅(qū)動(dòng) FPGA 在無(wú)線通信和有線通信領(lǐng)域大量應(yīng)用。由于 FPGA 芯片具有高度的靈活性、極強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理和并行處理能力，可以大大加強(qiáng)通信設(shè)備的處理能力， FPGA 芯片大量的應(yīng)用于無(wú)線通信和有線通信設(shè)備中。在無(wú)線通信領(lǐng)域，全球向 5G 領(lǐng)先地位 的沖刺正在加速，最大限度縮短上市時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，F(xiàn)PGA 解決方案可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速 設(shè)計(jì)迭代，廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外基站等無(wú)線通信設(shè)備中。在有線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片被應(yīng)用于 接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、路由器、交換機(jī)等，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制、傳輸加速等各種功能。

網(wǎng)絡(luò)通信是 FPGA 最大的下游市場(chǎng)，未來(lái)仍有望持續(xù)增長(zhǎng)。網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域是 FPGA 芯片 的最大的應(yīng)用市場(chǎng)，根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)，2020 年中國(guó) FPGA 網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域市場(chǎng)銷(xiāo)售 額為 62.1 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 41.3%，預(yù)計(jì) 2021-2025 年復(fù)合增速將達(dá)到 17.5%，預(yù)計(jì) 2025 年網(wǎng)絡(luò)通信市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 140 億元。

3.Xilinx和Intel主導(dǎo)全球FPGA市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商加速發(fā)展

Xilinx 和 Intel 主導(dǎo)全球 FPGA 市場(chǎng)，安路科技嶄露頭角。根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)， 以銷(xiāo)售額口徑統(tǒng)計(jì)，2019 年 Xilinx 和 Intel 占據(jù)全球 FPGA 市場(chǎng)份額分別為 52%和 34%，合計(jì) 占比 86%，Lattice 和 Microsemi 占比分別為 5%和 4%。中國(guó) FPGA 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局情況與全球 類(lèi)似，Xilinx、Intel 和 Lattice 分別以 71.4 億元、46.7 億元和 6.7 億元的銷(xiāo)售額位列市場(chǎng)前三位， 市場(chǎng)占有率分別為 55.1%、36.0%和 5.2%，安路科技在中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售額排名第四，占據(jù)了 0.9% 的市場(chǎng)份額，在國(guó)產(chǎn) FPGA 芯片廠商中排名第一。

國(guó)內(nèi) FPGA 廠商加速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。目前國(guó)內(nèi)有安路科技、紫光同創(chuàng)、復(fù)旦微 電、高云半導(dǎo)體、京微齊力等廠商進(jìn)入 FPGA 行業(yè)，近年來(lái)由于美國(guó)對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體的限制日益 趨嚴(yán)，F(xiàn)PGA 國(guó)產(chǎn)替代迫切需求疊加國(guó)產(chǎn) FPGA 廠商產(chǎn)品快速迭代和品類(lèi)擴(kuò)張，國(guó)內(nèi) FPGA 廠 商高速成長(zhǎng)。2018-2021 年安路科技和紫光國(guó)微的復(fù)合增速均超過(guò) 100%，2021 年安路科技和 紫光同創(chuàng)的營(yíng)業(yè)收入分別為 6.79 億元和 7.82 億元。根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi) FPGA 廠商國(guó)產(chǎn)化率不到 5%，未來(lái)國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。

100K 以下和 100K-500K 邏輯容量的 FPGA 需求量大，是國(guó)內(nèi) FPGA 龍頭廠商國(guó)產(chǎn)替代 的主要市場(chǎng)。根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)，2019 年 100K 以下邏輯容量的 FPGA 芯片中國(guó)市場(chǎng) 份額為 38.2%，100K-500K 邏輯容量的 FPGA 芯片市場(chǎng)份額為 31.7%，500K-1KK 和>1KK 分 別占比 24.4%和 5.7%。從邏輯容量來(lái)看，100K 以下和 100K-500K 邏輯容量的 FPGA 芯片是 中國(guó)市場(chǎng)需求量最大的部分，國(guó)內(nèi)廠商安路科技和紫光同創(chuàng)目前均已覆蓋，是 FPGA 國(guó)產(chǎn)替代 的主要市場(chǎng)。

28nm 以上制程占大部分市場(chǎng)份額，是 FPGA 國(guó)產(chǎn)替代的重要方向。從工藝制程來(lái)看，由 于 28nm-90nm 制程 FPGA 在性?xún)r(jià)比和良品率方面具有優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了主要的市場(chǎng)地位。根據(jù) Frost&Sullivan 的數(shù)據(jù)，2019 年 28nm-90nm 制程的 FPGA 占中國(guó)市場(chǎng)份額為 63.3%，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占據(jù) 20.9%的市場(chǎng)份額，>90nm 制程的 FPGA 占比 15.8%。由于中國(guó) 在先進(jìn)制程制造方面受到限制，28nm 以上制程也是 FPGA 國(guó)產(chǎn)替代的重要方向。

4.FPGA軟硬件生態(tài)系統(tǒng)建立極高的行業(yè)壁壘

FPGA需要由FPGA芯片、EDA軟件及IP方案組成的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)共同支撐實(shí)現(xiàn)功能。 FPGA 是需要通過(guò)“FPGA 芯片+EDA+IP”來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的產(chǎn)品，如果把 FPGA 系統(tǒng)比作 PC 系統(tǒng)，那么 FPGA 芯片相當(dāng)于 Intel 處理器，EDA 軟件相當(dāng)于微軟操作系統(tǒng)，IP 方案則相當(dāng)于應(yīng) 用軟件。PC 正常工作需要由 Intel 處理器、微軟操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件的共同配合完成，F(xiàn)PGA 則需要由 FPGA 芯片、EDA 軟件及 IP 方案組成的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)共同支撐實(shí)現(xiàn)功能。 FPGA 軟硬件生態(tài)系統(tǒng)建立極高的行業(yè)壁壘。從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，F(xiàn)PGA 涉及到硬件架構(gòu)、 EDA 軟件、IP、制程工藝、封裝技術(shù)、專(zhuān)業(yè)人才等多方面，并且發(fā)展 FPGA 必須在硬件和軟件 兩方面共同發(fā)展，F(xiàn)PGA 軟硬件生態(tài)系統(tǒng)也建立了極高的行業(yè)壁壘。

FPGA 芯片容量和性能方面的技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)硬件的技術(shù)水平。FPGA 芯片的技術(shù)水平主要 體現(xiàn)在容量和性能兩個(gè)方面。在容量方面，LUT 數(shù)量、DSP 數(shù)量、RAM 數(shù)量和 User IO 數(shù) 量是重要的技術(shù)指標(biāo)，其中 LUT 數(shù)量是 FPGA 芯片容量的基礎(chǔ)性指標(biāo)。在性能方面，制造工 藝、DSP 工作頻率、動(dòng)態(tài)功耗、SerDes 速率和 DDR3/DDR4 速率是 FPGA 芯片重要的技 術(shù)指標(biāo)，其中制造工藝是 FPGA 芯片性能的基礎(chǔ)性指標(biāo)。

邏輯容量、制程、SerDes 速率等關(guān)鍵指標(biāo)形成 FPGA 硬件極高的行業(yè)壁壘。在邏輯容量、 制程、SerDes 速率等 FPGA 硬件關(guān)鍵指標(biāo)上，國(guó)內(nèi) FPGA 龍頭廠商安路科技和紫光同創(chuàng)與全 球領(lǐng)導(dǎo)者 Xilinx 和 Intel 還有較大的差距；在 FPGA 芯片架構(gòu)上，Xilinx 的 Versal 系列產(chǎn)品已 實(shí)現(xiàn)包含 CPU、FPGA、AI 引擎、高速接口的復(fù)雜異構(gòu) SoC 架構(gòu)，國(guó)內(nèi)的 FPSoC 產(chǎn)品采用 傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)集成 CPU 核，在硬件架構(gòu)上也存在較大差距；綜上所述，F(xiàn)PGA 硬件存在極高 的行業(yè)壁壘。

FPGA 的 EDA 軟件是各 FPGA 廠商自主研發(fā)的專(zhuān)用軟件開(kāi)發(fā)工具。FPGA 的 EDA 軟件 并不是通用 EDA 軟件，通用的 EDA 軟件是芯片設(shè)計(jì)中必需的的集成電路軟件設(shè)計(jì)工具，通用 EDA 軟件市場(chǎng)份額占據(jù)前三的公司分別為 Synopsys、Cadence 和 Mentor。為了在應(yīng)用端最大 限度地發(fā)揮硬件性能，F(xiàn)PGA 廠商必須為用戶(hù)提供自主開(kāi)發(fā)的軟件工具。FPGA 的 EDA 軟件是 專(zhuān)用的軟件開(kāi)發(fā)工具，用戶(hù)選擇使用不同廠商的 FPGA，需要通過(guò)該廠家的 FPGA EDA 軟件工 具完成一系列流程來(lái)操作，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需要的功能。FPGA 軟件設(shè)計(jì)流程包含多個(gè)環(huán)節(jié)。用戶(hù)在使用 FPGA 時(shí)，需將 RTL 代碼通過(guò)邏輯綜合 工具、映射工具、布局布線工具、配置數(shù)據(jù)流生成工具、編程下載工具等生成下載到芯片里， 結(jié)合時(shí)序分析、功耗分析及在線調(diào)試工具，完成用戶(hù)應(yīng)用在 FPGA 中的實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程。

FPGA EDA 軟件工具非常復(fù)雜，布局、布線等核心技術(shù)難點(diǎn)形成 EDA 軟件工具極高的行 業(yè)壁壘。在 FPGA 軟件工具設(shè)計(jì)流程中，仿真工具可以使用第三方工具實(shí)現(xiàn)，其他環(huán)節(jié)基本都 需要 FPGA 廠商自己研發(fā)軟件工具，其中邏輯綜合工具和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)部分具有較大的研發(fā)難度，布局和布線兩個(gè)環(huán)節(jié)是難度較大的核心技術(shù)難點(diǎn)。布局是將邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)資源中， 布局要減少布線資源的線長(zhǎng)、控制均勻分布的密度、控制總延時(shí)盡可能小，關(guān)鍵在于短時(shí)間內(nèi) 得到全局最優(yōu)解。布線是完成布局后按照連接關(guān)系通過(guò)布線通道連接起來(lái)，布線主要考慮擁塞 和時(shí)序兩方面的因素，這兩個(gè)因素對(duì)于布線器是矛盾的。FPGA EDA 軟件涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，軟件 工具非常復(fù)雜，布局、布線等核心技術(shù)難點(diǎn)形成了 FPGA EDA 軟件工具極高的行業(yè)壁壘。

EDA 軟件工具決定了 FPGA 發(fā)展水平。FPGA 需要軟硬件協(xié)同發(fā)展，EDA 軟件工具的水 平基本與硬件的水平是相對(duì)應(yīng)的。在某種程度上 EDA 軟件工具處于決定性地位，因?yàn)?EDA 軟 件工具研發(fā)水平?jīng)Q定了硬件規(guī)模和性能所能達(dá)到的高度。由于 EDA 軟件需要考慮與芯片硬件 架構(gòu)的匹配和一致性、應(yīng)用場(chǎng)景多樣性、時(shí)序模型的復(fù)雜性和用戶(hù)使用體驗(yàn)及效率等方面， FPGA 廠商在 EDA 軟件工具上需要大量的研發(fā)投入。