一文看懂FPGA产业链及市场格局- 大数跨境

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一文看懂FPGA产业链及市场格局

猎芯网

2020-10-15

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导读：亚太地区是FPGA的主要应用市场

上周五，华尔街日报报道称，AMD有意收购竞争对手、可编程逻辑芯片制造商赛灵思（Xilinx），收购价格有望超过300亿美元。

Xilinx是FPGA的发明者，也是目前全球最大的FPGA公司。2015年，英特尔收购Altera，从而进入FPGA高端玩家之列。此次如果AMD收购赛灵思成功，将对AMD对抗英特尔处于更有利的位置，并迅速在电信和国防市场占据更大地位。

目前全球FPGA供应市场呈现双寡头格局，Xilinx和英特尔合计市场占有率高达87%左右，再加上Lattice和MicroChip合计5.6%的市场份额，前四家美国公司即占据了全世界92%以上的FPGA供应市场。

与标准芯片不同，FPGA可以在制造出来后重新编程，在研发时需要配套软件将用户设计烧录到芯片上才能实现相应功能，需要软件硬件协同才能完成，因此进入FPGA行业的门槛极高。毫无疑问，AMD收购Xilinx成功后，未来FPGA领域将成为AMD和英特尔对决的战场。

一、FPGA芯片定义及分类

FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片基于可编程器件（PAL、GAL）发展而来，是半定制化、可编程的集成电路。

发明者：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）。

二、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。

FPGA芯片具备以下特点：

适用性强：是专用电路中开发周期最短、应用风险最低的器件之一（部分客户无需投资研发即可获得适用FPGA芯片）。

并行计算：FPGA内部结构可按数据包步骤多少搭建相应数量流水线，不同流水线处理不同数据包，实现流水线并行、数据并行功能。

兼容性强：FPGA芯片可与CMOS、TTL等大规模集成电路兼容，协同完成计算任务。

设计灵活：属于硬件可重构的芯片结构，内部设置数量丰富的输入输出单元引脚及触发器。

地位提升：早期在部分应用场景是ASIC芯片的批量替代品；近期随微软等头部互联网企业数据中心规模扩大，FPGA芯片应用范围扩大。

FPGA厂商主要提供基于两种技术类型的FPGA芯片：Flash技术类、SRAM技术类（Static Random-access Memory，静态随机存取存储器）。两类技术均可实现系统层面编程功能，具备较高计算性能，系统门阵列密度均可超过1兆。

核心区别：基于Flash的可编程器件具备非易失性特征，即电流关闭后，所存储数据不消失。而基于SRAM技术的FPGA芯片不具备非易失性特征，是应用范围最广泛的架构。

三、中国FPGA芯片产业链分析

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

中国FPGA芯片行业产业链由上游底层算法设计企业、EDA工具供应商、晶圆代工厂、专用材料及设备供应商，中游各类FPGA芯片制造商、封测厂商及下游包括视觉工业厂商、汽车厂商、通信服务供应商、云端数据中心等在内的应用场景客户企业构成。

1、中国FPGA芯片产业链上游分析

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。

底层算法架构设计企业FPGA芯片设计对底层算法架构依赖度较低，上游算法供应商对中游FPGA芯片研发制造企业议价能力有限。境外算法架构设计企业包括高通、ARM、谷歌、微软、IBM等。

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、成熟度有待提高。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，为中游芯片企业提供价格友好型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。

2、中国FPGA芯片行业产业链中游分析

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，中游行业格局或发生裂变，从发展硬件、器件研发业务转向发展软件、平台搭建业务。

FPGA芯片利润空间巨大：相对CPU、GPU、ASIC等产品，FPGA芯片利润率较高。

中低密度百万门级、千万门级FPGA芯片研发企业利润率接近50%（可参考iPhone毛利率接近50%的水平）。高密度亿门级FPGA芯片研发企业利润率近70%（可以赛灵思、Intel收购的Altera为例）。

中国中游企业面临市场潜力释放节点：

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：

随FPGA行业中游企业集中度提高，行业格局或发生裂变。中国企业可通过市场策略调整，从硬件研发业务转向软件设计，从器件研发转向平台建设。

3、中国FPGA芯片行业产业链下游分析

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、自动驾驶和服务器等多领域具备巨大发展潜力。

FPGA厂商偏重通信市场及消费电子场景中国FPGA应用市场以消费电子、通信为主。本土芯片在产品硬件性能等方面落后于境外高端产品，在高端民用市场尚不具备竞争力，但短期在LED显示、工业视觉等领域出货量较高。随中国企业技术突破及5G技术成熟，中国FPGA厂商在通信领域或取得市场份额高增长。

汽车、数据中心应用紧随其后2025年后，边缘计算技术及云计算技术在智慧交通网络、超算中心全面铺开，自动驾驶、数据中心领域FPGA应用市场成长速度将超过通信、消费电子市场。

FPGA芯片下游应用市场规模增长情况：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，加速效果显著，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。

四、FPGA芯片行业市场规模

1、全球市场规模分析

随着目前5G时代的进展以及AI的推进速度，FPGA全球市场规模近年来稳步增长，从2013年的45.63亿美元，增至2018年的63.35亿美元。根据Market Research Future的预测，FPGA全球市场规模在2025年有望达到约125.21 亿美元。

2、中国市场规模分析：

随下游应用市场拓展，中国FPGA行业市场规模持续提升。2018年，中国范围FPGA市场规模接近140亿元。5G新空口通信技术及机器学习技术发展将进一步刺激中国FPGA市场扩容。预计2023年，中国FPGA芯片市场规模将接近460亿元。

3、市场份额分析

亚太市场需求显著亚太地区市场是FPGA的主要应用市场，占全球市场份额超40%。截至2018年底，中国FPGA市场规模接近140亿元，且随5G通信基础设施铺开而面临较大增量需求空间。

北美龙头企业把持头部市场北美地区赛灵思、Intel（收购Altera）保持FPGA市场双寡头垄断格局。中国FPGA市场中，赛灵思份额超过50%，Intel份额接近30%。

五、全球FPGA市场竞争格局

全球FPGA芯片市场竞争高度集中，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。

全球FPGA市场由四大巨头Xilinx赛灵思，Intel英特尔（收购Altera）、Lattice莱迪思、Microsemi美高森美垄断，四大厂商垄断9,000余项专利技术，把握行业“制空权”。

截至2018年底，全球范围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市场份额不足3%。

FPGA芯片行业形成以来，全球范围约有超70家企业参与竞争，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。

六、中国FPGA芯片行业企业

中国FPGA芯片研发企业可以紫光同创、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、自动驾驶等市场，打造高、中、低端完整产品线。

中国FPGA企业竞争突破口：现阶段中国FPGA厂商芯片设计软件、应用软件不统一，易在客户端造成资源浪费，头部厂商可带头集中产业链资源，提高行业整体竞争力。