2022年FPGA行业市场现状及发展趋势分析

1、2022年FPGA行业市场现状及发展趋势分析1. FPGA：“万能芯片”，复杂数字硬件电路设计的首选1.1 产品结构复杂，特点鲜明FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是一种可通 过重新编程来实现用户所需逻辑电路的半导体器件。FPGA 在专用 ASIC 的基础上发展 而来，不但继承了 ASIC 的大规模、高集成度、高可靠性等优点，同时克服了一般 ASIC 设计周期长、投资大、灵活性差等缺点，是复杂数字硬件电路设计的首选。FPGA 主要由三部分组成：逻辑部分（逻辑块，Logic Block，简称 LB）、输入输 出部分（I/O 块，Input

2、/Output Block，简称 IOB）、布线部分（包含：布线通道、开 关块（Switch Block，简称 SB）、连接块（Connection Block，CB）等）。虽然这三 部分就可以实现任意逻辑电路，但实际中往往还需要一些其他电路，如时钟树、配置 /扫描链（configuration/scan chain）、测试电路等。此外，很多商用 FPGA 还包含 处理器、块存储器、乘法器等固定功能的硬核电路。FPGA 中的逻辑部分，负责实现逻辑电路，实现方式有多种（乘积表、查找表和 数据选择器等），一般由可以实现任意逻辑电路的可编程部分触发器（Flip-Flop，FF） 等数据存储电路和数据

3、选择器组成；输入输出部分，通过连接 I/O 引脚和内部布线， 对外部进行信号输入输出，一般包含上拉、下拉、输入/输出的方向和极性、转换速 率（slew rate）、开漏（open drain）等控制电路，以及触发器等数据存储电路，通 常支持十余种规格输入/输出；布线部分，主要负责逻辑块相互之间以及逻辑块与 I/O 之间的连接，除了岛型构造外，还有多层构造、H-tree 构造等多种类型；其他部分， 例如对逻辑块、I/O 块、开关块和连接块进行控制的配置存储单元以及配置链，以及 时钟网络、扫描路径等。1.2 始于 20 世纪 70 年代，发展历程长第一代（20 世纪 70 年代，出现 FPLA、P

4、AL）：1975 年西格妮蒂克公司发布了一种基于熔断丝的可编程 FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编辑逻辑阵列）。1978 年 MMI 公司（即现在的莱 迪思公司）将其简化并采用双极性晶体管制程，开发了高速 PAL，并最终得到了普及。第二代（20 世纪 80 年代，出现 GAL、EPLD、FPGA）20 世纪 80 年代前期，各公司开始销售基于 CMOS EPROM/EEPROM 的 PLD，产品往 往功耗低且可重新编程，同时出现了最早将 FPGA 产品化的赛灵思（Xilinx，1984 年 成立）公司。80 年代后期，随着半导体集成度和速度的提升，

5、出现了无法擦写的反 熔丝 FPGA。第三代（20 世纪 90 年代，FPGA 大规模发展）20 世纪 90 年代，赛灵思和阿尔特拉分别改进扩展了 XC400 和 FLEX 架构，使得 FPGA 的逻辑电路规模（门数）快速增长。90 年代前期，门数达到了数千至数万门， 后期则发展到了数万至数十万门，并且在集成度上与 CPLD 拉开差距，性能上与 ASIC 等产品差距逐渐缩小，成功进入半定制产品市场；系统化与大规模化，也导致搭载 MPU 和 DSP 等硬核模块成为必然趋势。1997 年，逻辑规模达 25 万门，主频达到 50100MHz，1999 年，赛灵思的 APEX20K 将集成度提高至 10

6、0 万门级。第四代（21 世纪 00 年代，百万门级和系统 LSI 化）2000 年之后，FPGA 呈现系统 LSI 化。阿尔特拉推出了第一款带有硬核处理器的 FPGA 产品 Excalibur，其上集成了 ARM 处理器和 FPGA 电路。同时，产品的外部接口 也开始提升，FPGA 开始应用 SERDES（Serialixer-Deserializer，串行器-解压器） 电路和 LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号），实现高速 串行通信接口。产品快速迭代，赛灵思公司的高端 FPGA 产品 Virtex pro（2002 年，130nm

7、）及后续 Stratix-4（2004 年，90nm）、Stratix-5（2006 年，65nm）和 Stratix-6 （2009 年，40nm）大约每两年升级一次。第五代（21 世纪 10 年代，制程发展、行业洗牌）2010 年开始，赛灵思和阿尔特拉都发布了 28nm 的 FPGA 并从 2011 年开始供货， 并且产品除了高低端外，还增加了中端产品。例如，赛灵思全系列（高端为 Virtex-7， 中端为 Kintex-7，低端 Artix-7）全采用 28nm 制造工艺，提高性能的同时还降低了 功耗。同时，行业垄断化加剧，赛灵思和阿尔特拉占据市场八成的份额，仅剩的两成 中的大部分又被莱

8、迪思和 Actel 瓜分。1.3 “万能芯片”应用场景多民用方面，FPGA 在通讯、工业控制、人工智能等方面应用广泛。通信领域，在 通讯协议经常变化和升级的情况下，市场很难快速推出成熟的 5G 的 ASIC 芯片，得益 于可编程的灵活性以及低延时性，FPGA 具有独特优势。工业控制领域，FPGA 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。人工智能 领域，FPGA 会与 CPU 搭配，把 CPU 的部分数据运算卸载至 FPGA，将部分需要实时处 理/加速定制化的计算交由 FPGA 执行，起到 CPU 加速卡的作用。2. 市场概况：Fabless 运营模式，市场空间

9、稳定增长2.1 Fabless 运营模式，具备强技术壁垒Fabless 运营模式国内的 FPGA 厂家普遍采用 Fabless 运营模式，企业仅进行芯片的设计、研发和 销售，而将晶圆制造、封装和测试外包给专业的晶圆代工、封装和测试厂商。这种轻资产运营模式，使公司能够根据自身情况及市场规则，独立自主开展经营活动，将产 品研发能力和产业链整合能力最大化体现；但采用这种模式，其产能容易受到晶圆厂 和封装测试厂商产能限制，盈利也容易受到晶圆市场价格和加工费用上涨而产生波动。现在国内 FPGA 公司主要合作的晶圆代工厂包括中芯国际、上海华虹、台积电等， 封装测试厂包括华天科技、长电科技等；此外，部分公司

10、为加快研发速度、缩短设计 周期，会向 IP 核供应商购买 IP 核授权，向 EDA 工具供应商采购 EDA 设计工具。产业技术壁垒高研发费用方面，2021 年，行业龙头赛灵思以 9.05 亿美元（约合人民币 60 亿元） 占有绝对优势；从研发费用占营收比例来看，国内企业占比均较高，其中安路科技占 比最高，为 35.90%，其次为复旦微电，占比为 26.84%，最低的是紫光国微，占比为 11.83%。国内外企业研发费用占营收比例均较高，表明行业具有较强的技术壁垒。专利方面，国外仅赛灵思及阿尔特拉就拥有超过 9000 项专利，而国内 FPGA 设计 相关公司，仅紫光国微拥有近千项专利，复旦微电拥有

11、 210 项发明专利、软件著作权 229 项。国内厂商相关专利数量较少，表明技术积累与国外龙头企业仍有差距，相关 技术壁垒还需继续突破。人才方面，英特尔与国际数据公司(IDC)合作的报告调研发现，国内企业普遍缺 乏 FPGA 技术人才，人才匮乏是制约产业发展的首要因素。市场上仅初级人才需求可 以被满足，而 70%以上的企业都认为中级水平以上工程师严重不足，60%以上的企业 需要 FPGA 时序仿真及算法设计与仿真验证方面的工程师。另外，63.4%的企业表示， 未来会显著加强 FPGA 相关人员的招聘。专业人才的紧缺，形成了行业和不同企业的 竞争壁垒，同时也表明行业发展迅速，人才及技术储备有待提

12、升。2.2 需求分布均匀，国产化仍需提升供给端：国内市场份额多半被国际大厂占据FPGA 国际大厂，一方面，洗牌基本结束，Actel 于 2010 年 10 月被美国主攻高可 靠性半导体的 Microsemi 收购，莱迪思在 2011 年年末收购主打超低功耗 FPGA 的 SiliconBlue，Intel 在 2015 年 6 月以 167 亿美元收购了阿尔特拉，AMD 在 2020 年 10 月同意以 350 美元的收购价收购龙头赛灵思；另一方面，行业出现了垄断化， Frost&Sullivan 数据显示，以出货量统计，2019 年国际市场上，赛灵思、Intel（阿 尔特拉）、莱迪思和 Mi

13、crosemi 分别占据了 51.7%、33.7%、5.0%和 4.0%的市场份额，总共 94.4%。 国内市场，Frost&Sullivan 数据显示，2019 年以出货量统计，赛灵思、阿尔特 拉和莱迪思分别占据了 36.6%、25.3%和 23.2%的市场份额。预计未来随着国内企业持 续加大对 FPGA 的研发投入，以及国内厂家对国产化产品的持续提升，国内厂家对国 内市场份额的占比会逐步提升。需求端：各类需求分部均匀按逻辑单元容量分析，Frost&Sullivan 数据显示，国内市场 2019 年以销售额计， 100K 逻辑单元以下的 FPGA 芯片占比 38.2%，100K-500K 逻

14、辑单元的 FPGA 芯片占比 31.7%，500K 逻辑单元以上的占比 30.1%。 按制程分析，目前 28nm-90nm 制程区间内的 FPGA 芯片由于其较高的性价比，与 较高的良品率，占据了市场的主要地位。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。Frost&Sullivan 数据 显示，国内市场 2019 年以销售额计，28nm-90nm 制程的 FPGA 芯片占据了 63.3%的市 场份额，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占据了 20.9%的市场份额。2.3 中低端产品种类丰富，高端产品还需补足高端 FPGA 方面

15、，国产 FPGA 中，仅复旦微电的亿门级 FPGA 系列等少数芯片逻辑 单元可达约 700K，其余大部分逻辑单元容量在 200K 以下，而国际龙头企业赛灵思、 阿尔特拉均有 1KK 以上容量的逻辑芯片；从制程来看，国内已量产的 FPGA 芯片最高 采用 28nm 工艺，而赛灵思、阿尔特拉等厂家已有 10nm 及 16nm 芯片量产。这些表明， 高端 FPGA 方面，国产 FPGA 芯片仍有追赶空间。 中低端 FPGA 方面，国产产品的逻辑单元容量从 9k 到 174K 不等，产品种类较为 丰富，表明中低端市场，国内厂家已经掌握了相关技术，客户对于中低端 FPGA 产品 的需求可以被满足。3.

16、产业发展趋势：市场需求持续扩大，国产化替代快速进行3.1 国外龙头企业具有垄断性优势Xilinx/赛灵思：国际行业龙头Frost&Sullivan 数据显示，以出货量统计，2019 年，赛灵思占据了国际市场上 51.7%的份额、国内市场 36.6%的份额，是 FPGA 领域的国际龙头企业。2022 年 2 月， AMD 完成对赛灵思的收购。 营收方面，赛灵思在 2018-2019 年保持高增长之后，近两年业绩增速出现放缓。 2021 年，赛灵思共营收 31.48 亿美元，其中先进产品（Advanced Products，包含 28nm及以上制程产品）共营收 22.33 亿美元，核心产品（Cor

17、e Products，28nm 以下制程 产品）共营收 9.15 亿元；高级产品占其营收比例逐年提高。毛利及毛利率方面，赛 灵思毛利最近两年也出现了增长放缓迹象，但毛利率始终保持在 65%的高水平以上。从区域分析，赛灵思在中国区域营收增速最快，从 2018 年的 6.64 亿美元增长到 2021 年的 10.20 亿美元，中国占其营收比达到 32.40%，占比超过其他所有区域。赛 灵思在中国、美国、欧洲、日本的营收 3 年 CAGR 分别为 15.38%、5.73%、0.06%、0%， 中国市场的活力最为旺盛。从下游市场看，2021 年，赛灵思的净收入来源主要是各种工业类（A&D， Indus

18、trial and TME，即航空及国防、工业、测试与仿真等），占比为 44%；其次为 通讯类（Wired and Wireless，即有线及无线），占比 30%；消费类（Automotive， Broadcast and Consumer，即汽车、广播和消费）占比为 16%；数据中心（Data Center） 占比为 10%。 赛灵思研发费用也始终保持高增长，从 2018 年的 6.40 亿美元增长到 2021 年的9.05 亿美元，3 年 CAGR 为 12.24%；研发费用占总收入的比例，5 年来始终保持在 25% 至 30%之间，2021 年为 28.75%，比例值较高。Lattice

19、/莱迪思：国内出货量占比较高Frost&Sullivan 数据显示，以出货量统计，2019 年，莱迪思占据了国际市场上 5.0%的份额，国内市场 23.2%的份额。2021 年，赛灵思共营收 5.15 亿美元，毛利率 62.52%，营收及毛利较上年同期均有较大幅度增长。从区域分析，莱迪思在中国区域营收增速三年 CAGR 为 8.66%，仅次于美国的 15.44%；最近五年，中国区占其营收比例始终保持在 50%以上，2021 年 54.56%，可 见中国市场对其至关重要。下游市场方面，2021 年，工业和汽车板块占营收比例最大，为 43.88%；其次为 通信和计算板块，为 42.33%；其余板块

20、占营收比例均较小。研发费用方面，近五年 来，仅 2017 年研发费用占总收入比例达到 26.68%，其余时间比例值始终稳定在 19% 至 22%之间。3.2 细分板块需求增长，整体规模持续扩大从全球市场来看，由于 FPGA 灵活性高、开发时间短，其应用场景覆盖工业控制、 网络通信、数据中心等多种类型，市场规模不断扩大。未来随着通信市场的扩张，以 及工业控制等领域的持续发力，市场规模有望从 2022 年的 79.4 亿美元增长到 2025 年的 125.8 亿美元，3 年 CAGR 为 16.58%。 从国内市场来看，FPGA 的使用场景可拆分为工业领域、通信、消费电子、数据 中心、汽车、人工智

21、能等，市场规模有望从 2022 年的 208.8 亿元增长到 2025 年的 332.2 亿元，3 年 CAGR 为 16.74%。从各个细分板块来看，通信领域是 FPGA 市场最重要的组成部分。一方面，FPGA 芯片运算速度可以有效满足通信领域高速的通信协议处理需求；另一方面，在通讯协 议暂未规范，ASIC 芯片不适合大规模普及的情况下，FPGA 芯片又可依靠其高度的灵 活性以适应通信协议持续迭代。现阶段，FPGA 已经开始在通信行业大规模普及，随 着市场份额的扩大以及 FPGA 芯片在市场的不断推广，未来 3 年通信领域有望始终占 据国内 40%以上的市场份额，规模从 2022 年的 86

22、.7 亿元增长到 2025 年的 140.4 亿 元，3 年 CAGR 为 17.43%。数据中心是 FPGA 的新兴市场，用来在网络基础设施上传递、加速、展示、计算、 存储数据信息。相比于 CPU，FPGA 的体系结构决定其能够同时提供强大的计算能力和 足够的灵活性；相比于 GPU，FPGA 具有低延迟及高吞吐的优点；相比于 ASIC，FPGA 在研发周期、性能、灵活性等方面可以达到出色的平衡。在云计算大面积应用的背景 下，未来数据中心对芯片性能的要求进一步提高，FPGA 芯片在数据中心芯片中的价 值占比也将提升。车载 FPGA 方面，FPGA 芯片可以为快速增长的各种汽车电子应用需求提供灵

23、活低 成本高性能解决方案。随着汽车电子在不断发展，并且电动汽车、智能汽车快速兴起， FPGA 市场规模未来增速最快，有望从 2022 年的 14.6 亿元增长到 26.3 亿元，3 年 CAGR 为 21.67%。人工智能方面，硬件芯片实现分为云侧处理和端侧处理。在云侧处理领域，FPGA 由于高度灵活性及并行运算能力，在推断任务处理上具有巨大的潜力；在端侧处理领 域，随着智能终端对实时响应和多样化应用的需求，FPGA 由于可以实现快速推断决 策，而被广泛应用。3.3 国内相关公司营收增速快于外企，国产化替代快速进行国内 FPGA 领域相关企业快速发展。统计国内 3 家 FPGA 领域相关上市公

24、司相关板 块的营收及毛利，从 2018 年至 2021 年，板块整体表现较好。公司营收从 2018 年的 7.98 亿元增长至 2021 年的 44.34 亿元，3 年 CAGR 为 77.14%；毛利从 2018 年的 5.40 亿元增长至 2021 年的 31.79 亿元，3 年 CAGR 为 80.62%。营收及毛利的快速增长，表 明国内 FPGA 产业正处于快速发展期。 国内 FPGA 领域，外企营收增速显著低于国内企业。外国企业方面，从 2018 年 至 2021 年，赛灵思中国区以及莱迪思中国区营收增速，三年 CAGR 分别为 15.38%和 8.66%，增速较慢。国内企业方面，安

25、路科技的芯片销售收入板块，营收从 2018 年的 0.27 亿元增长到 2021 年的 6.42 亿元，三年 CAGR 为 186.89%，增速最快；紫光国微 的特种集成电路板块，营收从 2018 年的 6.16 亿元增长到 2021 年的 33.64 亿元，三 年 CAGR 为 76.14%，增速较为稳定；复旦微电的 FPGA 及其他芯片板块，2019 年及 2020 年，营收增速分别为 0.37%及 31.22%，涨幅较慢，2021 年大幅增长，涨幅为 109.49%， 表明其产品前期市场验证已结束，开始进入大规模放量阶段。国产化替代正在进行。Frost&Sullivan 数据显示，国内

26、FPGA 市场从 2018 年的 115.6 亿元增长到 2021 年的 176.8 亿元，3 年 CAGR 为 15.21%。统计国内 3 家 FPGA 相关上市公司相关板块的营收，从 2018 年的 7.98 亿元增长至 2021 年的 44.34 亿元， 3 年 CAGR 为 77.14%。国内企业的 FPGA 相关业务营收增速快于板块的整体增速，表明 FPGA 产品正在进行国产化替代。国内还有部分未上市 FPGA 设计公司，如成都华微、西安智多晶、广东高云、京 微齐力等，产品工艺制程从 0.22m 至 28nm 不等，逻辑单元可达 325K，中低端 FPGA 产品较为全面；应用领域包括

27、通信、工控、车载、数据中心等，应用场景覆盖广泛。 各公司也都在积极融资中，表明公司及市场对于未来 FPGA 领域充满信心。4.重点公司分析4.1 紫光国微：特种集成电路龙头，智能安全芯片业务稳定发展特种集成电路：行业龙头，国产化需求迫切紫光国微的特种集成电路业务板块发展良好。特种微处理器和配套芯片组产品持 续推出，应用领域持续扩大；特种 FPGA 产品高速发展，2x 纳米系列产品已逐步成为 主流产品，并占据重要市场地位，新一代产品也在顺利开发过程中；特种存储器产品 技术先进、品种丰富，是国内特种应用领域覆盖最广泛的产品系列，拥有巨大的市场 领先优势；其他如网络总线、接口产品、系统级芯片、模拟产

28、品、数字电源等领域也 在持续研发或扩大市场份额中。 特种集成电路市场持续扩大，国产化需求迫切。公司积极协调资源，保障订单交 付，业绩高速增长。公司在高科技领域不断突破，品牌效应突显，为公司的长远发展 奠定坚实基础。智能安全芯片业务：覆盖范围广，业务持续稳定发展。公司智能安全芯片业务持续稳定发展。证件类方面，公司第二代居民身份证和电 子旅行证件等稳定供应，相关新应用项目正在积极推进中；电信 SIM 卡方面，公司为 全球电信 SIM 卡芯片市场提供了丰富的产品选型，海外市场份额持续提升；金融支付 安全产品方面，公司在国内银行 IC 卡芯片市场份额进一步提升，同时积极拓展海外 市场；在社保卡市场上，

29、公司积极推进第三代社保卡的工作，在多个项目中取得突破； 此外，公司推出的数字货币芯片及解决方案在试点地区被广泛应用，引领了金融支付 市场的新方向。技术底蕴深厚，研发持续投入。公司研发底蕴深厚，半导体芯片设计有超过 20 年的技术基础，曾获得国家科技 进步奖一等奖、二等奖，国家技术发明奖二等奖等荣誉。公司持续加大研发投入，研 发费用从 2018 年的 1.29 亿元增长到 2021 年的 6.32 亿元，3 年 CAGR 为 69.76%，为产品升级及新产品的研发提供充分的保障。4.2 复旦微电：高端 FPGA 供应商，研发投入持续加大FPGA：产品性能保持国内领先。复旦微电的 FPGA 产品性

30、能保持国内领先，目前已可提供千万门级、亿门级 FPGA 芯片以及嵌入式可编程芯片等系列的产品。产品的应用领域包括网络通信、信息安全、 工业控制等，产品未来发展前景广阔。 当前，公司的新一代基于 14/16nm 工艺制程的 10 亿门级产品开发过程中，28nm 制程的 FPGA 及 PSoC 芯片新的市场也在进一步开拓，以保持公司在国产 FPGA 技术上 的领先优势。非挥发存储器：种类齐全，应用范围广。公司拥有电可擦除只读存储器（EEPROM）、NOR 型闪存存储器（NOR Flash）和 SLC NAND 型闪存存储器（NAND Flash）等各类存储器产品，具有多种容量、接口和封装 形式。一些 EEPROM 产品已经通过工业级、汽车级考核，知名度、可靠性方面的声誉