2022年FPGA行业发展现状及发展路径解读

1、2022年FPGA行业发展现状及发展路径解读1.FPGA：“现场可编程”的万能芯片FPGA/CPLD 是基于 PLD 技术按内部结构不同延伸出的两个分支。可编程 逻辑器件（Progra mmable Logic Device ,PLD）是 70 年代后发展起来 的一种新型逻辑器件，其主要结构原理是在任何组合逻辑函数都可以化 为“与或”表达式，用“与门-或门”二级电路实现的基础上，采用“与 或阵列+寄存器+可灵活配置的互连线的结构”实现任意的逻辑功能，主 要可分为低密度 PLD 与高密度 PLD 两类。PLA/PAL/GAL 作为低密度 PLD，在早期优点是设计灵活，可以实现速度 特性较好的逻辑

2、功能，但后因其过于简单的结构从而限制了其只能实现 规模较小的电路。Altera 和 Xilinx 之后分别推出了集成度更高的 CPLD 以及 FPGA 产品，凭借集成度更高、设计更灵活以及适用范围更广等特点 被下游厂商广泛使用。从区分来说，一般将基于乘积项技术，Flash 工 艺的 PLD 称为 CPLD；把基于查找表技术，SRAM 工艺，要外挂配置用的 EEPROM 的 PLD 叫 FPGA。PLA/PAL/GAL/CPLD 均属于阵列类型，基本结构 是与或阵列，而 FPGA 属于单元型，基本结构是可编程的逻辑块。复杂可编程逻辑门阵列（CPLD，Complex Programmable Lo

3、gic Device） 主要包含可编程的 I/O、可编程的逻辑宏单元以及可编程的内部互联资 源三部分。CPLD 的基本逻辑单元就是宏单元，是由与、或阵列加上触发 器构成，在可编程逻辑宏单元中含有的乘积项，即宏单元中与阵列的输出，乘积项的数量标志了 CPLD 的容量。一般来说，CPLD 每块芯片只分 成几块内部逻辑块，包含数十个输入端和输出端。通过乘积项特点，CPLD 在分解组合逻辑方面具有优势，一个宏单元可以分解数十个组合逻辑输 入，但逻辑单元数量同 FPGA 相比较少，因此适合用于设计复杂组合逻辑。FPGA 又称现场可编程门阵列，是基于通用逻辑电路阵列的集成电路芯 片。FPGA 芯片由可编程

4、的逻辑单元（Logic Cell，LC）、输入输出单元 （Input Output Block，IO）和开关连线阵列（Switch Box，SB）三个 部分构成，最大的特点是其具体功能在制造完成后由用户配置决定，因 此得名“现场可编程”。用户可通过配套的 FPGA 专用 EDA 软件实现具体 功能，首先由专用 EDA 软件接受用硬件语言描述的用户电路，其次编译 生成二进制位流数据，最后将位流下载到芯片中实现用户所需的功能。FPGA 根据设计工艺主要分为基于查找表（LUT）技术以及基于反熔丝技 术两类，其中查找表技术应用最为广泛。LUT 的本质是一种静态随机存 取存储器（SRAM），其大小是由输

5、入端的信号数量决定的，常用的查找表 电路是四输入查找表（4-input LUT，LUT4）、五输入查找表（5-inputLUT， LUT5）和六输入查找表（6-input LUT，LUT6）。CLB 是 FPGA 的主要逻辑 单元，以 Xinlinx 7 Series 为列，一个 CLB 中包含两个 Slice （Slice_L/Slice_M），而一个 Slice 中包含四个 6-Input LUT。FPGA 的 逻辑容量通常由等效 LUT4 的逻辑单元统计，通常我们将 FPGA 的基本单 元和实现相同功能的标准门阵列比较从而得出对应门数，例如以 Xill XC5000 系列为例，一个 4

6、输入 LUT 可以等效成 1-9 个门电路，一个寄存 器可以等效成7-12 个门电路，一个 LC整体可以等效成 8-21 个门电路（通 常来说取 12）。此外 FPGA 芯片的技术水平还体现在容量和性能两个方面。在容量方面， LUT 数量、 DSP 数量、RAM 数量和 User IO 数量是重要的技术指标，其 中 LUT 数量是 FPGA 芯片容量的基础性指标。在性能方面，制造工艺、 DSP 工作频率、动态功耗、SerDes 速率和 DDR3/DDR4 速率是 FPGA 芯片 重要的技术指标，其中制造工艺是 FPGA 芯片性能的基础性指标。FPGA 在灵活性等方面具有 ASIC、GPU 等处

7、理器无法比拟的优势。FPGA 不仅拥有软件的可编程性和灵活性，还兼具硬件的并行性和低延时性， 在上市周期、成本上也具有优势。因此，在 5G 通信、人工智能等具有 较频繁的迭代升级周期、较大的技术不确定性的领域，FPGA 是较为理想 的解决方案。FPGA 的发展历程大致划分为三个阶段，即发明阶段（the age of invention）、扩张阶段（the age of expansion）、累积阶段（the age of accumulation）。FPGA 的发展阶段横跨 20 世纪 80 年代和 90 年代， 上世纪 80 年代，Ross Freeman 和同事从 Zilog 买下 FPG

8、A 技术，并共同 创立赛灵思，推出第一颗真正意义上的 FPGA 芯片 XC2064；FPGA 在 1992 年-1999 年之间迎来了扩张阶段，由于 FPGA 结构越来越复杂，扩张阶段 出现了针对 FPGA 进行优化设计的自动综合、布局和布线的 EDA 工具，这 也逐渐成为 FPGA 开发的主流方法；FPGA 在 21 世纪迎来了累积阶段很多 客户开始追求性价比，FPGA 开始从单纯的可编程门阵列逐步转变为拥有 复杂功能的可编程片上系统。2. 高度灵活+低应用开发成本，市场空间广阔FPGA 芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势，带动 FPGA 市场规模持续提高。根据 Frost&

9、Sullivan 数据显示，全球 FPGA 市 场规模从 2016 年的约 43.4 亿美元增长至 2020 年约 60.8 亿美元，年均 复合增长率约为 8.8%，预计全球 FPGA 市场规模将从 2021 年的 68.6 亿 美元增长至 2025 年的 125.8 亿美元，年均复合增长率约为 16.4%。FPGA 国内市场持续扩大增长，增速远超全球。根据 Frost&Sullivan 数 据，中国 FPGA 市场从 2016 年的约 65.5 亿元增长至 2020 年的约 150.3 亿元，年均复合增长率约为 23.1%。随着国产替代进程的进一步加速， 中国 FPGA 市场需求量有望持续扩

10、大，预计到 2025 年，中国 FPGA 市场规 模将达到约 332.2 亿元。目前国内 FPGA 芯片主要市场在于 100K 以下逻辑单元以及 28nm-90nm 制 程区间。Frost&Sullivan 数据显示，中国市场 2019 年以销售额计，100K 逻辑单元以下的 FPGA 芯片占据了 38.2%的市场份额，同时，由于较高 的性价比与较高的良品率，28nm-90nm 制程的 FPGA 芯片占据了 63.3%的 市场份额。此外，由于先进制程产品具有更低功耗与面积和更高的性能， 28nm 以下制程的 FPGA 芯片预计将快速发展，28nm 以下制程的 FPGA 芯 片占据了 20.9%

11、的市场份额。FPGA 芯片因为其现场可编程的灵活性和不断提升的电路性能，下游细分 市场非常丰富，包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车 电子、人工智能等领域，这些领域需求增长明确，发展空间广阔。根据 Frost&Sullivan 预测，2020 年中国 FPGA 下游细分市场中，工业领域、 通信领域、消费电子、数据中心、汽车领域 、人工智能分别占比为 31.54%、41.32%、6.25%、10.71%、6.32%、3.86%。3. 海外寡头垄断，国产替代空间广阔2019 年全球市场 Xilinx、Intel（Altera）、Lattice 和 Microsemi 分别 占据了 51

12、.7%、33.7%、5.0%和 4.0%的市场份额。同时，国内 FPGA 芯 片行业呈现集中度较高的态势。根据 Frost&Sullivan 统计，以出货量口 径统计，2019 年中国市场份额排名前三的供应商占据 85.2%的市场份额。 其中 Xilinx、Intel（Altera）和 Lattice 分别以 5,200 万颗、3,600 万颗和 3,300 万颗的出货量位列市场前三位，市场占有率达到 36.6%、 25.3%和 23.2%。此外，安路科技的出货量排名第四，占据了 6.0%的市场 份额，在国产 FPGA 芯片厂商中排名第一。从供给端看，FPGA 供应市场呈现双寡头格局，Xili

13、nx 是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，主要从事用于通信、数据中心、汽车 电子、消费电子、工业等领域的 FPGA、SoC 和 3D FPGA 芯片的设计、 开发和销售。Altera 是领先的定制逻辑解决方案提供商，其 FPGA 产品 主要应用于通信、数据中心等领域。国内 FPGA 厂商主要以紫光同创、安路科技、复旦微电等为代表。现阶 段国内厂商在技术水平、成本控制能力、软件易用性等方面都与头部 FPGA 厂商存在较大的差距，市场份额较小，在 FPGA 领域实现国产替代 具有紧迫性和必要性。从性能角度看，工艺制程、门级规模及 SerDes 速 率是当前 FPGA 产品性能的重要指标。以

14、赛灵思为例，工艺制程方面赛 灵思 FPGA 芯片目前主要包括 28nm、20nm 及 16nm 制程，7nm 制程产 品也已发布；门级规模方面赛灵思 16nm 制程产品门级规模为十亿门级， 28nm 制程产品门级规模为亿门级；SerDes 速率方面，赛灵思 16nm 制程 产品最高支持 32.75Gbps X 96 通道或 58 Gbps X 32 通道。国产厂商目 前处于加速追赶时期，在部分领域已具备国产替代能力，伴随未来在中 高端市场持续突破，国产厂商替代空间广阔。4. FPGA 下游应用广泛，需求增长明确FPGA 凭借高速运算、低延时、可重构以及开发灵活、接口丰富等优点， 被广泛应用到如

15、通信、工控、消费、汽车等下游市场。在通信领域 FPGA 优势显著，因高度的灵活性、极强的实时处理和并行处理能力，能够大 大加强通信设备的处理能力，在 5G 推动下需求快速增长。FPGA 芯片目前被大量应用在无线通信和有线通信设备中，实现接口扩 展、逻辑控制、数据处理、单芯片系统等各种功能。在有线通信领域， FPGA 芯片被应用于数据接入、传送、路由器、交换机的多种电路板中， 以实现信号控制、传输加速等各种功能。在无线通信领域，FPGA 芯片被 应用在无线通信基站和射频处理单元的多种电路板中，以实现通信协议的各种功能和未来升级需求，集成 CPU 的现场可编程系统级芯片产品被 应用在室外微基站、室

16、内微基站等无线网络通信中，以单芯片完成商业、 住宅、工厂区域的多模覆盖、网络容量增加、人工智能计算等多样性功 能需求。FPGA 在 5G 的应用窗口期长，应用规模、单价将继续提升。5G 的关键技 术有较长的迭代过程，为 FPGA 在 5G 领域的应用提供了较长的时间窗口。 行业巨头赛灵思的年报显示，2020 年有线与无线板块整体在其收入中的 占比为 30%。2019 年开始，5G 步入首轮建设周期，FPGA 需求量和单价都 有所提升。5G 带来的出货量提高来源于两方面：5G 信号衰减较快，基站 需求量巨大，通信基站数量增多带动 FPGA 零部件用量提高，现阶段处于 铺设初期，未来市场建设量为千

17、万级别，同比 4G 时期增长明显；单基站 FPGA 用量有望从 4G 时期 2-3 块提高到 5G 时期 4-5 块。FPGA 的定价与片 上资源正相关，5G 带来的通道数增加、计算复杂度增加将使得 FPGA 的 规模进一步增加，未来单价有望进一步提高。FPGA 芯片在工业领域应用非常广泛，大量应用在视频处理、图像处理、 数控机床等领域实现信号控制和运算加速功能。随着智能化与自动化技 术的发展，FPGA 芯片高效能、实时性、高灵活性的特点使其在工业领域 得到了广泛应用。此外，FPGA 芯片的优势也使其在 LED 显示屏领域得到 了广泛的应用。FPGA 芯片的现场可编程特性可满足大型 LED 显

18、示屏系统 显示数据格式转换的需求，以满足各种形状和规格显示屏的定制，也可 满足其需要进行亮度、对比度、灰度级等参数灵活调节的需求，使 LED 显示屏得到更加细腻的显示画面。工业控制领域是 FPGA 芯片的重要市场，根据 Frost&Sullivan 数据显示， 2020 年应用于工业控制领域的 FPGA 芯片中国市场销售额将达到 47.4 亿 元，占中国 FPGA 芯片市场份额的 31.5%，预计 2025 年或达 100 亿元， 2021 年至 2025 年年均复合增长率将达到 16.1%。全球人工智能市场处于快车道，FPGA 需求持久。FPGA 芯片在数据中心 领域主要用于硬件加速，在人工智能场景下，FPGA 会与 CPU 搭配，处理 部分需要实时处理/加速定制化的计算。阿里云、腾讯云等大数据中心对 加速卡有大量需求，而人工智能领域只是加速计算的一个分支，其他分 支如基因测序、金融分析、大数据、音频视频转码等也要大量用到加速 卡。根据 Semico Research，人工智能领域的 FPGA 市场规模 2023 年有 望达 52 亿美元，五年复合增速有望达 3