FPGA 硬件三大指標：制程、門級數及 SERDES 速率，配套 EDA 軟件工具同樣重要。比較 FPGA 產品可以從技術指標入手。從 FPGA 內部結構來看，主要包括：可編程輸入/輸出單元（I/O）、可編程邏輯塊（LC）、 完整的時鐘管理（CMT）、 嵌入塊式 RAM（BRAM）、 布線資源、內嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等。
根據賽靈思披露的數據，一個LUT6等效1.6個LC，一個LC對應幾十到上百“門”， 1000萬門約等于10萬LC，即100K CLB級別FPGA。與ASIC不同的是，客戶在選購FPGA產品不僅考慮硬件參數，配套EDA軟件的性能也同樣重要。目前國內廠商高端產品在硬件性能指標上均與賽靈思高端產品有較大差距。
相對于ASIC，FPGA具有 3 點優勢：（1）可編輯，更靈活、（2）產品上市時間 短，節省了 ASIC 流片周期、（3）避免一次性工程費用，用量較小時具有成本優 勢。
（1）靈活性：通過對 FPGA 編程，FPGA 能夠執行ASIC能夠執行的任何邏輯功能。FPGA的獨特優勢在于其靈活性，即隨時可以改變芯片功能，在技術還未成熟的階段，這種特性能夠降低產品的成本與風險，在5G初期這種特性尤為重要。
（2）上市時間：由于FPGA買來編程后既可直接使用，FPGA方案無需等待三個月至一年的芯片流片周期，為企業爭取了產品上市時間。（3）成本：FPGA與ASIC主要區別在ASIC方案有固定成本而FPGA方案幾乎 沒有，在使用量小的時候，FPGA 方案由于無需支付一次性百萬美元的流片成本， 同時也不用承擔流片失敗風險，FPGA方案的成本低于ASIC，隨著使用量的增加， FPGA方案在成本上的優勢逐漸縮小，超過某一使用量后，ASIC方案由于大量流 片產生了規模經濟，在成本上更有優勢。
技術趨勢：制程迭代驅動 33 年發展，平臺型產品是未來
歷史：1985年賽靈思發明FPGA以來，其容量提高了一萬倍以上，速度提高了一 百倍以上，價格和能耗縮小了一千倍以上。受到先進制程迭代的推動，FPGA的架構不斷更新。1985年，Xilinx公司推出了全球第一款FPGA產品 XC2064，采 用2μm工藝，包含64個邏輯模塊和85,000個晶體管，門數量不超過1000個。對比2016年賽靈思發布的VIRTEX UltraScale，16nm制程，系統邏輯單元最高達378萬個。FPGA制程迭代在提高算力的同時降低了功耗，減小了芯片面積，推動了FPGA的性能提升。
未來：在技術趨勢上，制程迭代+平臺產品將是未來產品發展方向。我們仍然看 好先進制程帶給FPGA的性能提升，同時新的產品形態（平臺型產品）的出現讓FPGA性能有了進一步提升的可能。Xilinx和Intel相繼發布ACAP和Agilex 平臺型產品，根據Xilinx披露的數據，新的平臺型產品速度超過當前最高速的 FPGA 20倍、比目前最快的CPU快100倍，該平臺面向數據中心、有線網絡、5G無線和 汽車駕駛輔助應用。產品進展方面， 2019年6月19日Versal AI Core及Versal Prime系列組件小規模出貨，量產時間預計在2019下半年。
技術、專利、人才壁壘高，國產替代迎難而上
技術壁壘高：半個IC設計公司+半個軟件公司，硬件結構復雜且良率低，軟硬協
同再提研發難度。FPGA企業的硬件開發部分屬于典型的 IC 設計企業，與一般 IC 設計企業不同的是，由于FPGA硬件需要配套EDA軟件一起使用，FPGA 公司通 常需要自行研發適配自家硬件的EDA軟件，因此也算半個EDA軟件公司。由于FPGA版圖及布線復雜，硬件設計難度較大，加之軟件和硬件協同開發，系統工 程的難度再升級。
核心專利被頭部公司壟斷，國產廠商披荊斬棘艱難前行，專利有效期結束或帶來 轉機。在專利上國外廠商目前占據絕對優勢，Xilinx和Altera在FPGA領域的專利數近10,000個，而國產廠商如紫光同創專利數僅約200項，相差懸殊。未來隨著部分專利的有效期結束，及國產廠商在新專利上的突破，專利上的壟斷格局或 迎來轉機。
半導體產業鏈國產化程度低，硬件自主可控進程難以阻擋，國產當自強。產業鏈 角度來看，硬件產業鏈中目前自主可控程度較低，尤其在高端半導體設備和材料領域，未來產業鏈上下游國產替代進程的推進也將助力國產FPGA加速發展。硬件部分上游：EDA+IP。硬件開發用的EDA仍是Cadence、Synopsys 及Mentor Graphics，IP來源包括外部授權和內部開發。硬件部分下游：代工廠+封測。其中代工廠國內廠商主要與臺積電及中芯國際合作，封測主要和日月光等合作。
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。根據WSTS的數據，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。根據中國半導體行業協會的數據，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。
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。根 據Gartner的數據，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。
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。
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。
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。根據Xilinx的年報，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。
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，根據MRFR的數據，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Massive MIMO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。
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-7 FPGA；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(baseband daughter board)中都具有一塊Xilinx’s Kintex-7 FPGA，2個雙通道12-bitADC，1個4通道16-bit DAC，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5G Massive MIMO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。
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。根據Bloomberg數據，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。
FPGA巨頭搶道智能駕駛，L5級產品值得期待。目前賽靈思布局主要在L1-L3， NAVIDA和Intel的最新系列產品劍指L5完全自動駕駛。但是由于政策影響加上自動駕駛事故頻發，即使技術達到L5級別，仍無法在全球道路上實現L5操作。2018年賽靈思完成對深鑒科技的收購后進一步加強其在汽車領域的布局。目前賽 靈思的FPGA自動駕駛解決方案的客戶包括百度、海康威視(31.850, 1.41, 4.63%)、中科慧眼、元橡科技、極目科技等。截至2018年，賽靈思的產品在29個OEM品牌的 111種車型上得到了應用。在激光雷達芯片領域，賽靈思占有約 90%的市場。
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。
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。根據 Intel披露的數據，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。
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，根據 Semico Research的數據，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。
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(5.980, 0.07, 1.18%)、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FPGA PGT180H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。
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