国产 FPGA 的机缘与应战

2019-11-04 22:56 关键词:区块链曝光,比特币曝光 分类:曝光 阅读:79


滥觞:内容来自「兴业证券」,感谢。
FPGA 是能够先购置再设想的“全能”芯片。FPGA (Field-Programmable Gate
Array)现场可编程门阵列,是在硅片上预先设想实现的具有可编程特征的集成电路,它能够根据设想职员的需求装备为指定的电路结构,让客户没必要依靠由芯片制造商设想和制造的 ASIC 芯片。普遍利用在原型考证、通讯、汽车电子、工业节制、航空航天、数据中心等范畴。


FPGA 硬件三大目标:制程、门级数及 SERDES 速度,配套 EDA 软件对象一样关键。对照 FPGA 产物能够从技巧目标动手。从 FPGA
内部结构来看,次要包孕:可编程输入 / 输出单位(I/O)、可编程逻辑块(LC)、 完好的时钟经管(CMT)、 嵌入块式 RAM (BRAM)、
布线资源、内嵌的底层功用单位和公用硬件模块等。
依照赛灵思表露的数据,一个 LUT6 等效 1.6 个 LC,一个 LC 对应几十到上百“门”, 1000 万门约即是 10 万 LC,即 100K
CLB 级别 FPGA。与 ASIC 差别的是,客户在选购 FPGA 产物不但斟酌硬件参数,配套 EDA 软件的机能也一样关键。今朝海内厂商高端产物在硬件机能目标上均与赛灵思高端产物有较大差异。
相关于 ASIC,FPGA 具有 3 点上风:(1)可编纂,更灵敏、(2)产物上市时候 短,节约了 ASIC
流片周期、(3)制止一次性工程费用,用量较小时具有本钱优 势。
(1)灵敏性:经过对 FPGA 编程,FPGA
能够施行 ASIC 能够施行的任何逻辑功用。FPGA 的奇特上风在于其灵敏性,即随时能够改动芯片功用,在技巧还未成熟的阶段,这类特机能够低落产物的本钱与风险,在 5G 早期这类特征尤其关键。
(2)上市时候:由于 FPGA 买来编程后既可间接利用,FPGA 计划无需期待三个月至一年的芯片流片周期,为企业夺取了产物上市时候。
(3)本钱:FPGA 与 ASIC 次要区分在 ASIC 计划有流动本钱而 FPGA 计划差不多 没有,在利用量小的时候,FPGA
计划由于无需领取一次性百万美圆的流片本钱, 同时也不消负担流片失利风险,FPGA 计划的本钱低于 ASIC,跟着利用量的增加,
FPGA 计划在本钱上的上风渐渐缩小,超出某一利用量后,ASIC 计划由于大批流 片发生了范围经济,在本钱上更有上风。

技巧趋向:制程迭代驱动 33 年发展,平台型产物是将来

汗青:1985 年赛灵思发现 FPGA 以来,其容量提高了一万倍以上,速度提高了一
百倍以上,价钱和能耗缩小了一千倍以上。遭到进步制程迭代的推动,FPGA 的架构持续更新。1985 年,Xilinx 公司推出了环球第一款 FPGA 产物
XC2064,采 用 2μm 工艺,包罗 64 个逻辑模块和 85,000 个晶体管,门数目不超出 1000 个。 对照 2016 年赛灵思公布的 VIRTEX
UltraScale,16nm 制程,体系逻辑单位最高达 378 万个。FPGA 制程迭代在提高算力的同时低落了功耗,减小了芯片面积,推动了 FPGA 的机能提高。
将来:在技巧趋向上,制程迭代+平台产物将是将来产物发展方向。我们仍旧看
好进步制程带给 FPGA 的机能提高,同时新的产物形状(平台型产物)的出现让 FPGA 机能有了进一步提高的大概。Xilinx 和 Intel 接踵公布 ACAP 和 Agilex
平台型产物,依照 Xilinx 表露的数据,新的平台型产物速度超出当前最高速的 FPGA
20 倍、比今朝最快的 CPU 快 100 倍,该平台面向数据中心、有线收集、5G 无线和 汽车驾驶辅佐利用。产物希望方面, 2019 年 6 月 19 日 Versal AI
Core 及 Versal Prime 系列组件小范围出货,量产时候估计在 2019 下半年。

技巧、专利、人材壁垒高,国产替换迎难而上

技巧壁垒高:半个 IC 设想公司+半个软件公司,硬件结构庞杂且良率低,软硬协
同再提研发难度。FPGA 企业的硬件开辟部份属于典范的 IC 设想企业,与通常 IC 设想企业差别的是,由于 FPGA 硬件需求配套 EDA 软件一同利用,FPGA
公司通 常需求自行研发适配自家硬件的 EDA 软件,于是也算半个 EDA 软件公司。由于 FPGA 国界及布线庞杂,硬件设想难度较大,加上软件和硬件协同开辟,体系工
程的难度再晋级。 焦点专利被头部公司把持,国产厂商披荆棘困难前行,专利有用期竣事或带来
起色。在专利上外洋厂商今朝占有绝对上风,Xilinx 和 Altera 在 FPGA 范畴的专利数近 10,000 个,而国产厂商如紫光同创专利数仅约 200 项,相差差异。将来跟着部份专利的有用期竣事,及国产厂商在新专利上的冲破,专利上的把持款式或
迎来起色。
半导体工业链国产化水平低,硬件自立可控历程难以拦截,国产当自强。工业链
角度来看,硬件工业链中今朝自立可控水平较低,特别在高端半导体装备和质料范畴,将来工业链上下流国产替换历程的推动也将助力国产 FPGA 加快发展。硬件部份上游:EDA+IP。硬件开辟用的 EDA 仍是 Cadence、Synopsys
及 Mentor Graphics,IP 滥觞包孕外部受权和内部开辟。
硬件部份下流:代工厂+封测。当中代工厂海内厂商次要与台积电及中芯国际互助,封测次要和日月光等互助。

环球 63 亿美圆市场,Xilinx 与 Altera 双寡头

FPGA 是集成电路大工业中的小范畴,5G 和 AI 为行业增加供应确定性,国产替

代叠加行业增加,国产 FPGA 市场起飞期近。依照 WSTS 的数据,2018 年环球 集成电路市场范围到达 4,688 亿美圆,同期环球 FPGA 市场范围约 63 亿美圆,仅
占集成电路市场约 1.34%。市场虽小,但将来受益于 5G 基本设施环球结构及 AI 技巧连续发展,FPGA 行业需求量增加具确定性。行业增加下,国产替换历程将
进一步加快国产 FPGA 的增加。依照中国半导体行业协会的数据,2017 年海内 FPGA 市场国产率低于 1%,跟着技巧冲破,国产 FPGA 起飞期近。

环球 FPGA 市场范围连续爬升,亚太是 FPGA 次要市场,将来工业发展可期。根
据 Gartner 的数据,环球 FPGA 市场范围 2019 年到达 69 亿美圆,2025 年到达
125 亿美圆,将来市场增速稳中有升。亚太区占比到达 42%,是 FPGA 次要市场,中国 FPGA 市场范围约 100 亿元,将来跟着中国 5G 摆设及 AI 技巧发展,海内 FPGA 范围无望进一步扩大。

外洋三巨子占有 90% 环球市场,国产厂商临时掉队。FPGA 市场出现双寡头把持 款式,Xilinx 和
Altera 离别占有环球市场 56% 和 31%,在中国 FPGA 市场中,占
比也高达 52% 和 28%,由于技巧、资金、人材上的壁垒及 FPGA 量产带来的范围经济,行业领导者职位较为稳定。国产厂商今朝在中国市场占比约
4%,将来跟着国产厂商技巧冲破,FPGA 范畴国产替换或将是百亿级的机遇,替换空间辽阔。

5G+AI 催化行业增加,下流需求欲乘风而起**

通讯、消耗电子、汽车是 FPGA 下流存量利用场景,市场范围连续增加。
由于相关于 ASIC 的三方面上风(灵敏性、上市时候、本钱),FPGA 的下流利用场景较为充足,包孕:ASIC 原型设想、汽车、收发器、消耗电子、数据中心、高机能计
算、工业、医疗、测试 / 丈量、有线 / 无线通讯等。当中通讯、消耗电子和汽车是次要利用场景,2017 年三块场景 FPGA 需求占总需求比例到达
79.4%,市场范围连续扩大。

利用场景会维持聚集的款式,ASIC 在本钱上的范围经济限定了 FPGA 利用场景的集中度,FPGA 弗成替换性奠基市场基本。由于 ASIC 具有明明的范围经济,当单一芯片产物用量极大时(通常为超出 10 万片)
,利用 ASIC 计划将有本钱上风,于是 FPGA
的利用场景被限定在了用量小、技巧不稳定、灵敏性需求高的范畴,一旦技巧成熟且需求放量,终端厂商就会斟酌 ASIC 计划替换 FPGA 计划来低落本钱。但由于 FPGA 在用量小、技巧不稳定及灵敏性需求高的范畴具有弗成替换性,FPGA 的市场基本稳定,将来量的增加次要看新技巧带来的新周期。
国产 FPGA 厂商产物下流利用场景更侧重消耗电子,将来在通讯市场的增加值得等候。依照 Xilinx 的年报,2019 财年(财年结日为 2019 年 3 月 30 日)其产物终端利用场景及占比为通讯(36%)、工业航空及国防(28%)、数据中心及封测医疗仿真(20%)、汽车播送及消耗电子(15%)。而国产 FPGA 厂商由于产物机能相对掉队,在高端民用范畴临时不具有竞争力,但在 LED 显现、工业等范畴出货量较大。跟着海内厂商技巧冲破,将来在通讯市场份额的提高将开启国产 FPGA 厂商增加。

环球 5G 海潮席卷而来,FPGA 量价齐升期近

FPGA 是 5G 基本设施和终端装备的零部件,5G 环球摆设连续推动,基站、IoT、
终端装备、边沿盘算的 FPGA 用量将明显提高。通讯是 FPGA 下流利用场景中范围最大的分支,依照 MRFR 的数据,FPGA 通讯市场范围 2017 年达
23.5 亿美圆, 占团体 FPGA 利用市场比例超 40%,2017-2025 年 CAGR 估计 8%。环球 5G 基本
设施建立历程下,FPGA 作为焦点零部件,用量也会随之提高,5G 利用中,IoT、
终端装备及边沿盘算范畴的 FPGA 需求也将增加。将来在通讯市场的增加具有确定性。
比拟较 CPU 和 GPU,通讯范畴 FPGA 在 I/O 、运算速度及提早上均具有上风。 在 5G 建立早期,FPGA 能够被用于基站天线的收发器中,5G 期间 Massive
MIMO 技巧让收发通道数从 16T16R 提高到 64T64R 乃至 128T128R,FPGA 能够用于多通道灯号波束成形。今朝业界在 FPGA 和 ASIC 计划的挑选上具有差别,京信通讯等公司采取愈加灵敏的 FPGA 计划。

以一个 64 通道毫米波 MIMO 全 DBF 收发器为例,如图收发器分为两部份,左半 部份为中频 ; 基带子体系,谅解 Xilinx 的 Kintex-7
FPGA;右半部份为毫米波收发器射频前端,谅解中频振荡器及电源经管模组等。每一个基带子板 (baseband daughter
board) 中都具有一块 Xilinx’s Kintex-7 FPGA,2 个双通道 12-bitADC,1 个 4 通道 16-bit
DAC,2 个 QSFP+光接口用于通用无线接入。 5G 期间,FPGA 面对价提量升。 价提:
FPGA 次要用在收发器的基带中,5G 期间由于通道数的增加,盘算庞杂度增加,所用 FPGA 的范围将增加,由于 FPGA 的订价与片上资源正相干,将来通讯范畴 FPGA 单颗本钱也将上升,今朝基站收发器中的 FPGA 单价通常在几百
元元的局限,将来无望进一步提高。收发器的次要本钱和功耗由基带部份进献,将来技巧庞杂度将再次推升收发器本钱,进而传导到基站 AAU 价钱上升。
量增:1. 通讯基站数目提高动员 FPGA
零部件用量提高。5G 早期基站铺设数目环比提高,另一方面由于 5G 灯号衰减较快, 小基站需求量庞大,将来十年无望超 1000 万座,同比 4G 期间增加明明。2.
单基站 FPGA 用量提高动员 FPGA 通讯市场用量团体提高。由于 5G Massive MIMO 的高并发处置惩罚需求,单基站 FPGA 用量无望从
4G 期间 2-3 块提高到 5G 期间 4-5 块,将动员 FPGA 团体用量。

主动驾驶渐成熟,增量空间大门翻开

汽车半导体 389 亿市场范围,FPGA 今朝仅占 2.4%,主动驾驶发展将提高 FPGA 代价占比。汽车芯片分为主控芯片和功用芯片(MCU)。主控芯片包孕 GPU、
FPGA、 ASIC 等,FPGA 在汽车多个范畴都有利用,特别在相机和传感器中的利用曾经相 对成熟。依照 Bloomberg 数据,汽车半导体市场范围
2017 年到达 388.6 亿美圆, 当中 FPGA 为 9.5 亿美圆,占比仅 2.44%。FPGA 依托其灵敏性及并行处置惩罚才能,
在汽车的摄像头及激光雷达范畴利用普遍。主动驾驶技巧的发展将提高 FPGA 在汽车半导体中的代价占比。

FPGA 巨子抢道智能驾驶,L5 级产物值得等候。今朝赛灵思结构次要在 L1-L3,
NAVIDA 和 Intel 的最新系列产物剑指 L5 完全主动驾驶。可是由于政策影响加上主动驾驶变乱频发,即便技巧到达 L5 级别,仍没法在环球门路上实现 L5 操纵。
2018 年赛灵思完成对深鉴科技的收买后进一步增强其在汽车范畴的结构。今朝赛
灵思的 FPGA 主动驾驶解决计划的客户包孕百度、海康威视、中科慧眼、元橡科技、纵目科技等。停止 2018 年,赛灵思的产物在 29 个 OEM 品牌的
111 种车型上获得了利用。在激光雷达芯片范畴,赛灵思占有约 90% 的市场。


FPGA 在将来汽车中次要利用在 ADAS/AD 体系、马达节制、激光雷达、车载信息文娱体系和驾驶员信息体系,发展空间可期。以 FPGA 巨子 Xilinx 为例,赛灵
思在汽车上曾经构成了自生成熟的闭环的生态体系,供应从高等驾驶员辅佐驾体系(ADAS)、主动驾驶 (AD)、激光雷到达车载信息文娱体系(IVI)和驾驶员信息(DI)的全方面支撑。ADAS/AD 范畴是赛灵思将来中长期的增加点。而汽车级 ACAP
平台的推出则是实现主动化驾驶 L4 的基本。将来智能驾驶技巧渐渐成 熟,FPGA 用量提高空间庞大。

数据中心摆设 FPGA,AI 加快卡拉动 FPGA 需求

数据中心逻辑芯片是百亿美圆市场,低提早+高吞吐奠基 FPGA 焦点上风。依照 Intel 表露的数据,数据中心范畴逻辑芯片市场范围 2017 年达 25 亿美圆,2022
年无望到达 80-100 亿美圆。数据中心 FPGA 次要用在硬件加快,比拟 GPU,FPGA 在数据中心的焦点上风在于低提早及高吞吐。微软 Catapult 项目在数据中心利用 FPGA 取代 CPU 计划后,处置惩罚 Bing 的自界说算法时快出 40 倍,加快效果明显。
数据中心对芯片机能有较高请求,硬件即效劳形式下,将来更多数据中心采取。

▼FPGA 计划将提高 FPGA 在数据中心芯片中的代价占比。

AI 场景中 FPGA 市场范围 2023 年无望达 52 亿美圆,将来五年复合增速达 38.4%。
FPGA 由于其灵敏性及高速运算才能,在 AI 加快卡范畴利用普遍,依照 Semico
Research 的数据,AI 范畴 FPGA 市场范围 2023 年无望达 52 亿美圆,比拟于今朝 63 亿美圆的 FPGA 市场,AI 范畴的利用弗成小觑。
FPGA 在 AI 范畴处置惩罚服从及灵敏性具有明显上风,将来陪同 AI 技巧发展迎来增 长。在加快二值化神经收集(BNN)中对照 FPGA、CPU、GPU
和 ASIC,FPGA 供应了超出 CPU 和 GPU 的服从。即便 CPU 和 GPU 供应顶峰理论机能,它们也没有获得有用哄骗,由于 BNN 依靠于更合适定制硬件的二进制 bit 级操纵。虽然 ASIC 仍旧更高效,但 FPGA 具有更高的灵敏性,无需锁定流动的 ASIC 解决计划。

国产替换叠加行业增加,国产厂商将进入增加快车道**

环球 FPGA 市场在 5G 和 AI 两大驱动因子下将来估计享有妥当增加,而今朝海内 100 亿元市场中,国产厂商占比仅 4%,国产率极低。 将来跟着国产 FPGA
厂商技巧冲破,国产替换历程下,替换厂商增速无望明显高于行业均匀,估值和
功绩无望双增。我们认为国产替换仍是 FPGA 行业投资主线,倡导存眷国产 FPGA 厂商及其相干公司的投资机遇。 海内 FPGA 厂商次要有 8 家:
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。今朝营收范围均较小,国产 FPGA 今朝还处于起步期,专利数和外洋企业有较大差异。产物角度来看,国产 FPGA 在硬件机能目标上也远掉队于 Xilinx 及 Altera。
近年来国产 FPGA 虽掉队但追逐进度较快,继紫光同创开收回中国独一一款自处产权千万门级高机能 FPGA
PGT180H 以来,上海复旦微电子于 2018 年 5 月在第二届中国高校科技成果交易会上公布了新一代自立知识产权亿门级 FPGA 产物,
新产物,弥补了海内超大范围亿门级 FPGA 的空缺。将来跟着更多企业技巧冲破,国产替换历程将连续推动。

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