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FPGA芯片行业研究
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2022-06-24 FPGA芯片行业研究

来源:图虫
FPGA 芯片具有巨大的存量市场和趋势的增量市场。

本文来自合作媒体:红点创投(ID:RedpointVentures),作者:高林松。猎云网经授权发布。

随着物联网、云计算、人工智能等领域的井喷式发展,FPGA芯片迎来了自己的春天;FPGA的开发涉及芯片核心架构、先进工艺、各种IP设计、EDA工具开发、系统集成等各个方面,技术难度极高;国产替代目前在低逻辑单元领域有所突破,高可靠性、高逻辑单元的中高端产品的需求迫切。

由于产业深度研究和前瞻性判断,红点中国较早便开始布局芯片赛道,在ASIC芯片领域投资了燧原科技和瀚博半导体两家头部企业,也非常看好FPGA芯片的未来前景。

以下为红点中国高林松的行业观察,文章围绕FPGA的概述、行业应用和市场空间以及行业格局,层层深入,剖析FPGA的发展趋势和潜在机会,希望给大家带来有价值的观点分享。

红点观点:FPGA 芯片具有巨大的存量市场和趋势的增量市场;由于国内缺乏高端产品和正向设计,芯片供应链的安全将会受到影响;技术壁垒较高,需要有经验的团队,涉及的方向较多(软件、硬件、IP等),需要庞大的队伍支撑,行业内有经验的人员比较稀少。

一、FPGA概述

1. 基本概述

FPGA 全称为 Field Programmable Gate Array,意思是现场可编程逻辑门阵列。所以FPGA 芯片的最大特点是现场可编程性。无论是 CPU、 GPU、DSP、Memory 还是各类 ASIC 芯片,在芯片被制造完成之后,其芯片的功能就已被固定,用户无法对其硬件功能进行任何修改。而 FPGA 芯片在制造完成后,其功能并未固定,用户可以根据自己的实际需要,将自己设计的电路通过 FPGA 芯片公司提供的专用 EDA 软件对 FPGA 芯片进行功能配置,从而将空白的 FPGA 芯片转化为具有特定功能的集成电路芯片。

每颗 FPGA 芯片均可以进行多次不同功能配置,从而实现不同的功能。因此,就 FPGA 芯片公司而言,不仅需要提供芯片,还需要提供 FPGA 专用 EDA 软件来对芯片进行配置。

FPGA 芯片公司不仅是集成电路设计企业,还必须是集成电路 EDA 软件企业。

2. FPGA的分类

FPGA厂商主要提供基于两种技术类型的FPGA芯片:

Flash技术类:具备非易失性特征,即电流关闭后,所存储数据不消失;写操作复杂,较SRAM写入周期长,写电入压较高;但功耗低、保密性高,抗辐照强,多用于军工、航天。

SRAM技术类(Static Random-access Memory,静态随机存取存储器):不具备非易失性特征,是应用范围最广泛的架构;FPGA很少用于移动设备、或多或少都有保密措施,所以FLASH的优势不明显;主流FPGA采用SRAM较多,配合独立Flash存储器存储配置信息在上电时对FPGA配置。

3. FPGA的使用

FPGA 芯片的用户会根据其要开发的产品,对 FPGA 芯片所要实现的功能给出具体描述,这种描述通常会以 Verilog 或者 VHDL 语言来编写。FPGA 专用 EDA 软件的输入是用户提供的功能描述文件。

第一步是逻辑综合,将用户的功能表述转化为适合芯片结构的逻辑单元以及这些单元之间的连接关系。

第二步称为物理实现,是将逻辑综合出的电路器件具体分配到 FPGA 内部不同的位置上,并且根据连线的信息,具体对芯片结构中的连接开关进行分配,包括物理布局、布线和优化等操作。在物理实现步骤之后,软件系统确定了所有 FPGA 可编程单元的编程信息和连线信息,这些信息以二进制位流数据表示。

最后一个步骤称为编程下载,是将物理实现确定的位流信息通过 FPGA 芯片本身的下载端口,以预先设计的特定方式编程写入到芯片中,或者将位流数据存放在特定存储空间等待芯片启动时读入,实现对 FPGA 的每一个逻辑单元以及连线开关进行编程配置。在编程下载之后,FPGA 芯片就具有了用户电路描述的功能。

4. 设计难点

二、行业应用

1. 行业应用

FPGA具有并行处理、可编程和精准的时序控制等重要优势,被广泛应用于军工航天、工业控制、汽车、安防、显示面板、广播电视、医疗、测试与测量以及消费电子等领域,它是数字系统的核心关键器件。

2. FPGA芯片的特点

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。

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。

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。

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)。

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。

三、市场空间

1. 全球市场

FPGA 芯片具有灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势,使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。未来,随着全球新一代通信设备部署以及人工智能与自动驾驶技术等新兴市场领域需求的不断增长,FPGA 市场规模预计将持续提高。

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。

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。

2. 中国市场

近几年中国 FPGA 市场持续扩大增长,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大。根据 Frost&Sullivan 数据,预计到 2025 年,中国 FPGA 市场规模将达到约 332.2 亿元。

按逻辑单元拆分,目前 100K 以下逻辑单元的 FPGA 芯片仍是市场需求量最大的部分,其次为 100K-500K 逻辑单元部分。

按制程拆分,目前 28nm-90nm 制程区间内的 FPGA 芯片由于其较高的性价比,与较高的良品率依然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。

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。

四、行业格局

1. 全球格局

全球最大的FPGA厂商赛灵思(56%),市场占有率最高且有继续扩大的趋势, Intel altera(31%)其后,以及莱迪思(3%)和美高森美(3%)Achronix(1%)等厂商。

2. 中国格局

资料来源:Frost&Sullivan

中国FPGA芯片市场份额主要被赛灵思(36.6%)、Intel altera(25.3%)、莱迪思(23.2%)三家巨头占据,国产品牌以安路科技(6%)为首。

3. 人才壁垒

从2018年数据来看,中美两国的FPGA芯片研发领域人才力量储备的对比:中国FPGA人才数量约为美国的1/10,高端人才技术水平低于美国;中国FPGA研发人才需求达到6,000人,存在5,000人的缺口。

五、发展趋势

1. FPGA 芯片向先进制程、先进封装方向发展

FPGA搭载 CPU 处理器核、数字信号处理器(DSP)模块、多输入逻辑模块、高速接口等组件,其中逻辑芯片的制程大约每两年更新一代,集成度和性能都有了显著的提升。

2. FPGA 芯片向高集成化的现场可编程系统级芯片发展

FPGA 芯片技术正在向更先进工艺、更高速电路结构、复杂异构 SoC 系统发展。

3. FPGA 芯片新的下游应用领域不断涌现

在数据中心领域、人工智能领域、汽车电子等领域的需求不断涌现和爆发。

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