1、FPGA的概念 FPGA即Field-ProgrammableGateArray的縮寫,即現場可編程門陣列,它是基于PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上形成再次發展的成品。它出現的形式是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路,這種形式的半定制電路既能夠彌補定制電路的不足,又能夠改正原來的可編程器件門電路數有限的不足。FPGA是由可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內部連線三個部分組成的。FPGA對于小批量系統來說是一項很好的選擇,可以提高系統的集成度。 2、FPGA技術的優勢和特點 1）FPGA技術的性能很好 根據對FPGA的分析表明,在FPGA的某些應用領域方面,FPGA的每分鐘的信號處理能力與數字處理信號DSP相比使其多倍的效率,這是因為FPGA在性能方面打破了傳統的順序執行的模式,利用硬件并行的優勢,在運行處理速率方面做了很大的提升,其可以在每個周期內完成更多的處理任務,完全超過了數字處理信號的運算速率。FPGA的性能主要體現在其為了滿足不同的應用需求在硬件層面的控制輸入和輸出方面進行了很大的完善,為應用領域提供了更加專業化、更加快速的運算處理系統。 2）FPGA技術的設計成本較低 在自定制ASIC設計的非經常性工程中產生的費用與基于FPGA的硬件解決方案所產生的費用相比前者的設計成本更高,且高出了很多倍。ASIC在設計初期為設備制造商在運輸數千種芯片方面投入了巨大的成本費用,但是結果表明更多的用戶使用自定義的硬件功能就能解決自身對芯片的需求,FPGA的芯片特性注定在進行設計的時候可以節省更多的成本投資,FPGA芯片的交貨組裝時間與ASIC相比也較短,因此,FPGA的設計成本不僅較低,而且完成效率也快。 3）FPGA具有較高的穩定性 FPGA使用硬件并行的方式進行內部的運行,其處理器的系統包含了很多個抽象層,這能在多個進城之間共享資源、計劃任務,利用驅動從而控制硬件資源的使用。處理器的系統常常會面臨著限時任務相互占取的風險,且對于任何給定的處理器內核,談一次只能執行一個指令。但是FPGA不使用這種處理器操作系統,它本身具有獨立的確定性和每項任務的執行硬件,不存在多個任務共同執行出現相互占取的潛在風險,在運行的穩定性方面提供了一定的保障。 4）FPGA能夠進行長期維護 FPGA是可以進行現場升級的,不用重新設計ASIC所涉及的時間和費用的投入,是因為ASIC的接口可能存在兼容方面或者維護方面的問題,而數字通信中就包含了能夠隨時間進行改變的規范,FPGA就能夠根據現場的情況或者改變做出適時的調整和修改。 3、FPGA芯片的應用 1）應用到數據采集領域中 由于自然界中的信號模擬信號居多,因此信號處理系統中都能實現數據的采集功能,對于比較常見的低速A/D和D/A轉換器可以采用標準的其它接口或者通信進行處理,但是對于高速的A/D和D/A轉換器,一般的信號處理器就起不了作用,只能使用FPGA進行數據采集。 2）應用到邏輯接口領域 在傳統的芯片設計中,在進行與PC機進行數據通信時,為了保障信號的傳輸質量需要的接口數量太多,導致芯片的體積、能耗等都比較大,不利于進行高效的傳輸。 3）應用到電平接口領域 在新的技術不斷出現的大環境下,在電子產品的應用方面,電平標準也必須不斷的做出改變才能迎合電子產品的更新要求,在這種極度混合的電平環境中,傳統的電平接口并不能滿足電路的需求,導致電路的復雜性越來越高,而FPGA可以支持多種電平的存在,將FPGA應用到電平接口中可以減少很多不必要的麻煩。 4、全球63億美元市場，Xilinx與Altera雙寡頭 FPGA是集成電路大產業中的小領域，5G和AI為行業增長提供確定性，國產替代疊加行業增長，國產FPGA市場騰飛在即。2018年全球集成電路市場規模達到4,688億美元，同期全球FPGA市場規模約63億美元，僅占集成電路市場約1.34%。市場雖小，但未來受益于5G基礎設施全球布局及AI技術持續發展，FPGA行業需求量增長具確定性。行業增長下，國產替代進程將進一步加速國產FPGA的增長。2017年國內FPGA市場國產率低于1%，隨著技術突破，國產FPGA騰飛在即。 FPGA在集成電路行業中位置 FPGA在集成電路行業中位置 數據來源：公開資料整理 全球FPGA市場規模持續攀升，亞太是FPGA主要市場，未來產業發展可期。全球FPGA市場規模2019年達到69億美元，2025年達到125億美元，未來市場增速穩中有升。亞太區占比達到42%，是FPGA主要市場，中國FPGA市場規模約100億人民幣，未來隨著中國5G部署及AI技術發展，國內FPGA規模有望進一步擴大。 全球FPGA市場規模 全球FPGA市場規模 數據來源：公開資料整理 亞太FPGA市場份額 亞太FPGA市場份額 數據來源：公開資料整理 國外三巨頭占據90%全球市場，國產廠商暫時落后。FPGA市場呈現雙寡頭壟斷格局，Xilinx和Altera分別占據全球市場56%和31%，在中國FPGA市場中，占比也高達52%和28%，由于技術、資金、人才上的壁壘及FPGA量產帶來的規模經濟，行業領導者地位較為穩定。國產廠商目前在中國市場占比約4%，未來隨著國產廠商技術突破，FPGA領域國產替代或將是百億級的機會，替代空間廣闊。 全球FPGA市場份額按公司分布 全球FPGA市場份額按公司分布 數據來源：公開資料整理 中國FPGA市場份額按公司分布 中國FPGA市場份額按公司分布 數據來源：公開資料整理 5、5G+AI催化行業增長，下游需求欲乘風而起 通信、消費電子、汽車是FPGA下游存量應用場景，市場規模持續增長。由于相對于ASIC的三方面優勢（靈活性、上市時間、成本），FPGA的下游應用場景較為豐富，包括：ASIC原型設計、汽車、收發器、消費電子、數據中心、高性能計算、工業、醫療、測試/測量、有線/無線通信等。其中通信、消費電子和汽車是主要應用場景，2017年三塊場景FPGA需求占總需求比例達到79.4%，市場規模持續擴大。 FPGA市場規模按下游應用場景分 FPGA市場規模按下游應用場景分 數據來源：公開資料整理 應用場景會保持分散的格局，ASIC在成本上的規模經濟限制了FPGA應用場景的集中度，FPGA不可替代性奠定市場基礎。由于ASIC具有明顯的規模經濟，當單一芯片產品用量極大時（一般為超過10萬片），使用ASIC方案將有成本優勢，因此FPGA的應用場景被限制在了用量小、技術不穩定、靈活性需求高的領域，一旦技術成熟且需求放量，終端廠商就會考慮ASIC方案替代FPGA方案來降低成本。但由于FPGA在用量小、技術不穩定及靈活性需求高的領域具有不可替代性，FPGA的市場基礎穩固，未來量的增長主要看新技術帶來的新周期。 國產FPGA廠商產品下游應用場景更偏重消費電子，未來在通信市場的增長值得期待。2019財年（財年結日為2019年3月30日）其產品終端應用場景及占比為通信（36%）、工業航空及國防（28%）、數據中心及封測醫療仿真（20%）、汽車廣播及消費電子（15%）。而國產FPGA廠商由于產品性能相對落后，在高端民用領域暫時不具有競爭力，但在LED顯示、工業等領域出貨量較大。隨著國內廠商技術突破，未來在通信市場份額的提高將開啟國產FPGA廠商增長。 1）全球5G浪潮席卷而來，FPGA量價齊升在即 FPGA是5G基礎設施和終端設備的零部件，5G全球部署持續推進，基站、IoT、終端設備、邊緣計算的FPGA用量將顯著提升。通信是FPGA下游應用場景中規模最大的分支，FPGA通信市場規模2017年達23.5億美元，占整體FPGA應用市場比例超40%，2017-2025年CAGR預計8%。全球5G基礎設施建設進程下，FPGA作為核心零部件，用量也會隨之提升，5G應用中，IoT、終端設備及邊緣計算領域的FPGA需求也將增長。未來在通信市場的增長具有確定性。相比較CPU和GPU，通信領域FPGA在I/O、運算速度及延遲上均具有優勢。在5G建設初期，FPGA可以被用于基站天線的收發器中，5G時代MassiveMIMO技術讓收發通道數從16T16R提高到64T64R甚至128T128R，FPGA可以用于多通道信號波束成形。目前業界在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收發器簡化框圖 64通道毫米波MIMO全DBF收發器簡化框圖 數據來源：公開資料整理 以一個64通道毫米波MIMO全DBF收發器為例，如圖收發器分為兩部分，左半部分為中頻&基帶子系統，包涵Xilinx的Kintex-7FPGA；右半部分為毫米波收發器射頻前端，包涵中頻振蕩器及電源管理模組等。每一個基帶子板(basebanddaughterboard)中都具有一塊Xilinx’sKintex-7FPGA，2個雙通道12-bitADC，1個4通道16-bitDAC，2個QSFP+光接口用于通用無線接入。 5G時代，FPGA面臨價提量升。 價提：FPGA主要用在收發器的基帶中，5G時代由于通道數的增加，計算復雜度增加，所用FPGA的規模將增加，由于FPGA的定價與片上資源正相關，未來通信領域FPGA單顆成本也將上升，目前基站收發器中的FPGA單價通常在幾百元人民幣的范圍，未來有望進一步提高。收發器的主要成本和功耗由基帶部分貢獻，未來技術復雜度將再次推升收發器成本，進而傳導到基站AAU價格上升。 量增：5G帶來的出貨量提高來源于兩方面，1.通信基站數量提高帶動FPGA零部件用量提高。5G初期基站鋪設數量環比提高，另一方面由于5G信號衰減較快，小基站需求量巨大，未來十年有望超1000萬座，同比4G時期增長明顯。2.單基站FPGA用量提高帶動FPGA通信市場用量整體提高。由于5GMassiveMIMO的高并發處理需求，單基站FPGA用量有望從4G時期2-3塊提高到5G時期4-5塊，將帶動FPGA整體用量。 中國5G宏基站出貨進度 中國5G宏基站出貨進度 數據來源：公開資料整理 中國5G小基站部署進度 中國5G小基站部署進度 數據來源：公開資料整理 2）自動駕駛漸成熟，增量空間大門打開 汽車半導體389億市場規模，FPGA目前僅占2.4%，自動駕駛發展將提高FPGA價值占比。汽車芯片分為主控芯片和功能芯片（MCU）。主控芯片包括GPU、FPGA、ASIC等，FPGA在汽車多個領域都有應用，尤其在相機和傳感器中的應用已經相對成熟。汽車半導體市場規模2017年達到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，在汽車的攝像頭及激光雷達領域應用廣泛。自動駕駛技術的發展將提高FPGA在汽車半導體中的價值占比。 汽車半導體市場份額 汽車半導體市場份額 數據來源：公開資料整理 自動駕駛等級定義 自動駕駛等級定義 數據來源：公開資料整理 FPGA在未來汽車中主要應用在ADAS/AD系統、馬達控制、激光雷達、車載信息娛樂系統和駕駛員信息系統，成長空間可期。以FPGA巨頭Xilinx為例，賽靈思在汽車上已經形成了自生成熟的閉環的生態系統，提供從高級駕駛員輔助駕系統（ADAS）、自動駕駛(AD)、激光雷達到車載信息娛樂系統（IVI）和駕駛員信息（DI）的全方面支持。ADAS/AD領域是賽靈思未來中長期的增長點。而汽車級ACAP平臺的推出則是實現自動化駕駛L4的基礎。未來智能駕駛技術逐漸成熟，FPGA用量提升空間巨大。 汽車領域芯片應用 汽車領域芯片應用 數據來源：公開資料整理 3）數據中心部署FPGA，AI加速卡拉動FPGA需求 數據中心邏輯芯片是百億美元市場，低延遲+高吞吐奠定FPGA核心優勢。數據中心領域邏輯芯片市場規模2017年達25億美元，2022年有望達到80-100億美元。數據中心FPGA主要用在硬件加速，相比GPU，FPGA在數據中心的核心優勢在于低延遲及高吞吐。微軟Catapult項目在數據中心使用FPGA代替CPU方案后，處理Bing的自定義算法時快出40倍，加速效果顯著。數據中心對芯片性能有較高要求，硬件即服務模式下，未來更多數據中心采納FPGA方案將提高FPGA在數據中心芯片中的價值占比。 數據中心中邏輯芯片市場規模 數據中心中邏輯芯片市場規模 數據來源：公開資料整理 AI應用場景的FPGA市場規模 AI應用場景的FPGA市場規模 數據來源：公開資料整理 AI場景中FPGA市場規模2023年有望達52億美元，未來五年復合增速達38.4%。FPGA由于其靈活性及高速運算能力，在AI加速卡領域應用廣泛，AI領域FPGA市場規模2023年有望達52億美元，相比于目前63億美元的FPGA市場，AI領域的應用不可小覷。FPGA在AI領域處理效率及靈活性具有顯著優勢，未來伴隨AI技術發展迎來增長。在加速二值化神經網絡（BNN）中比較FPGA、CPU、GPU和ASIC，FPGA提供了超過CPU和GPU的效率。即使CPU和GPU提供高峰理論性能，它們也沒有得到有效利用，因為BNN依賴于更適合定制硬件的二進制bit級操作。盡管ASIC仍然更高效，但FPGA具有更高的靈活性，無需鎖定固定的ASIC解決方案。 以CPU上軟件為基準的性能-大于1為加速，小于1為減速 以CPU上軟件為基準的性能-大于1為加速，小于1為減速 數據來源：公開資料整理 以CPU上軟件為基準的性能/功耗 以CPU上軟件為基準的性能/功耗 數據來源：公開資料整理 性能峰值，如：50%則代表50%的性能已經實現 性能峰值，如：50%則代表50%的性能已經實現 數據來源：公開資料整理 6、國產替代疊加行業增長，國產廠商將進入增長快車道 全球FPGA市場在5G和AI兩大驅動因子下未來預計享有穩健增長，而目前國內100億人民幣市場中，國產廠商占比僅4%，國產率極低。未來隨著國產FPGA廠商技術突破，國產替代進程下，替代廠商增速有望顯著高于行業平均，估值和業績有望雙增。我們認為國產替代仍是FPGA行業投資主線，建議關注國產FPGA廠商及其相關公司的投資機會。國內FPGA廠商主要有8家：紫光同創、國微電子、成都華微電子、安路科技、智多晶、高云半導體、上海復旦微電子和京微齊力。目前營收規模均較小，國產FPGA目前還處于起步期，專利數和國外企業有較大差距。產品角度來看，國產FPGA在硬件性能指標上也遠落后于Xilinx及Altera。 近年來國產FPGA雖落后但追趕進度較快，繼紫光同創開發出中國唯一一款自處產權千萬門級高性能FPGAPGT180H以來，上海復旦微電子于2018年5月在第二屆中國高校科技成果交易會上發布了新一代自主知識產權億門級FPGA產品，新產品，填補了國內超大規模億門級FPGA的空白。未來隨著更多企業技術突破，國產替代進程將持續推進。 國內FPGA主要玩家 國內FPGA主要玩家

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