风口上的FPGA：国内厂商现状及未来趋势

加入“硬科技社群”，请加微信“emilymy0414”  ↑

科技融资项目BP投递，请加微信“emilymy0414”  ↑

自1984 年赛灵思发明了世界首款 FPGA，至今已有37年。 在此期间，FPGA从单纯的可编程逻辑单元，逐渐发展到拥有成百上千万个可编程单元的逻辑阵列，再发展到集成了各类硬件资源、IP核以及甚至处理器内核的复杂片上系统（SoC）。同其他数字芯片一样，FPGA芯片的工艺、性能上取得了不断进步。 如今，5G通信、大数据、云计算、AI智能等领域的高速发展，给了FPGA芯片大显身手的机会，FPGA厂商国产替代恰逢其时。 “现场可编程”的FPGA芯片 FPGA的英文全称为：Field Programmable Gate Array。按单词直译过来是“现场可编程门阵列”，是一种可以对电路功能进行编程定义的半定制电路。 如何理解呢？FPGA芯片主要由三部分组成，逻辑阵列快（LAB)、内部连接线以及输入输出单元（IOE）。其中LAB是FPGA芯片基本逻辑单元，无数个LAB的列阵，通过内部链接线连接起来，就形成了FPGA芯片。  图表：FPGA芯片结构图

我们谈FPGA芯片“现场可编程”指的是，芯片生产出来，可由下游用户编程后实现其功能需求，而不需要再返厂，即是“现场”。 “可编程”是在内部结构不发生改变的情况下，编程芯片上运行的硬件设计,通过硬件编程，改变电流流动的方向或者经过的门阵列以实现不同的逻辑功能。 好比一座有很多条路的迷宫，走不同路径，穿过不同的门，到达不同的地点。当数据流经过芯片内部，由于经过的路线不同，以实现不同的功能。例如我们可以通过编程让FPGA变成一个网络交换芯片，也可以让它变成一个视频处理芯片。 基于这样的特点，FPGA具有设计灵活性高、并行计算效率高、开发周期短费用低等优势。因此被广泛用于航天与军用、汽车、数字广播消费、电子类、数据存储与处理，工业应用、科学与医疗,以及有线通讯与无线通信等众多的产业中。 被美国公司垄断的市场 FPGA市场集中度很高，全球的FPGA供应市场呈现“两大两小”的局面，双寡头赛灵思和英特尔（收购Altera）合计市场占有率超过87%，Lattice和Microsemi合计占据了5.6%的市场份额。 在国内FPGA市场上，2019年Xilinx和Altera占比分别达到55%和36%，Lattice占比达5.3%，三家美国公司合计占96.3%的份额。由此来看，无论全球还是国内，FPGA市场几乎完全被美国公司所垄断。 图表：2019 年国内 FPGA 市场占有率情况 

数据来源：安路科技公司公告 国内FPGA厂商的追逐路 国产FPGA仍处起步阶段，国内FPGA 厂商主要有：紫光同创、复旦微电、成都华微电子、安路科技、智多晶、高云半导体、和京微齐力等。国产FPGA厂商目前营收规模均较小，专利数和国外企业也有较大差距。 目前中国IC厂商在FPGA 细分领域和国外巨头的差距远远比其他领域要大，这主要是因为国内FPGA的发展依靠自主，需要一定时间。 首先，以行业特殊性来说，由于FPGA芯片能够实现“现场可编程”，因此客户后续编程设计的时候，FPGA厂商需要提供EDA软件。EDA软件研发难度不言自明，所以对于FPGA厂商来说，FPGA芯片设计最大门槛是EDA工具软件的自研。目前，紫光同芯、复旦微电等FPGA厂商已经能够提供自研的EDA软件。 其次，FPGA芯片发展至今，内部门阵列数越来越多，如何设计内部连接线的布线，对FPGA芯片的运行效率起到至关重要的作用。对于FPGA芯片设计、结构设计、总线结构设计以及存储器控制等多方面的要求，都需要时间积累和实践。 此外，FPGA芯片设计阶段涉及到很多IP硬核，而在后期编程阶段又涉及到很多IP软核。尤其是IP软核，需要客户在应用过程中不断积累，从而形成产品生态。而国内FPGA市场美国企业占据垄断地位多年，客户长期使用的都是国外产品，国外产品的生态链已经较为完备，相较之下FPGA国产厂商需要做的还有很多。 目前，在先进FPGA 芯片领域，我国企业的产品与美国企业的产品还存在代差。中国FPGA厂商多以40nm、55nm产品系列为主，部分厂商攻克28nm产品。

目前国内已上市公司中业务涉及FPGA的有：紫光国微（子公司紫光同创从事FPGA）、复旦微电（FPGA营收占总营收比重10%），IPO已过会企业有安路科技，此外成都华微电子拟谋求科创板上市，目前已完成了备案登记。 国产FPGA厂商年收入均在亿元级，主要收入来源集中在中低端FPGA 产品且以消费类市场为主，各家均处于高密度FPGA产品研发投入期，国产化替代不断加速。 图表：FPGA厂商历年营收（单位：人民币）注：以FPGA产品占复旦微电10%计算，2020年度复旦微电FPGA芯片营收1.69亿元。
此外，笔者汇总了国内外从事FPGA厂商的毛利率情况。整体而言，FPGA芯片毛利较高。赛灵思、微芯、莱蒂思半导体等行业内领先企业的2020年度毛利率均处于60%以上。需要指出的是，2020年度复旦微电毛利率高达95%以上，但这并不一定能体现真实情况。第一，FPGA产品营收占公司总营收比重不到10%；第二复旦微电FPGA为28nm 制程产品门级规模为亿门级，与FPGA 行业龙头企业赛灵思已推出7nm Versal™AI核心系列产品，门级规模为十亿门级，无论制程还是速率都存在较大差距；第三，国外FPGA厂商毛利率取值为综合销售毛利率，因此低毛利率产品或拖累整体毛利率表现。安路科技目前主流FPGA 产品基于 55nm 工艺制程制造，对应毛利率为34%。目前，正向28nm工艺产品进发。图表：FPGA厂商毛利率 FPGA两大未来发展趋势 随着摩尔定律越来越接近瓶颈，独立FPGA芯片似乎不能满足多样化的需求，从而延伸出SoC FPGA（FPGA+）和 eFPGA（+FPGA）的新产品形态。 何为SoC FPGA？ SOC FPGA是指通过单芯片高度集成了电子信息设备所需的CPU、FPGA、存储接口、IO 外设接口甚至人工智能专用引擎等所有模块，从而形成复杂片上系统（SoC）。 通过集成高性能的平台型产品，模块间通信速度瓶颈被解除，并融合FPGA的灵活性和ASIC的高效率优点。目前，FPGA头部厂商赛灵思和英特尔已先后发布了ACAP和Agilex™平台型产品。 这样做的优势是：通过整合各种模块，相比单独购买芯片，总体BOM成本大大压缩；相比ASIC,SOC FPGA缩短芯片开发周期；具有硬件可编程的灵活性，可以通过重新编写逻辑，延长系统的生命周期。

 目前，FPGA SoC相关产品面向不同细分领域的软硬件解决方案，例如：1）加速人工智能推理；2）AI 内存加速卡；3）测试测量解决方案；4 ）智能视频监控；5）区块链数字货币…… 何为eFPGA？ eFPGA即嵌入式FPGA IP，就是将类似于FPGA的可编程逻辑阵列“嵌入”到ASIC或SoC中。随着摩尔定律越来越接近瓶颈，制造ASIC芯片的成本越来越高，IC设计者会希望ASIC能实现一定的可配置性，同时又不影响性能。由此，通过eFPGA的方式，让ASIC更具灵活性。
与ASIC芯片相比，FPGA的一项重要特点是其可编程特性。或许在不久的将来，ASIC与FPGA的界限将不再清晰，而是“你中有我，我中有你”的推陈出新。

新闻来源：创道硬科技，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。