一、FPGA芯片定義及分類

1、FPGA芯片定義及物理結(jié)構(gòu)

FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片基于可編程器件（PAL、GAL）發(fā)展而來，是半定制化、可編程的集成電路。

發(fā)明者：賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人Ross Freeman于1984年發(fā)明FPGA集成電路結(jié)構(gòu)。全球第一款商用FPGA芯片為賽靈思XC4000系列FPGA產(chǎn)品。

FPGA芯片按固定模式處理信號(hào)，可執(zhí)行新型任務(wù)（計(jì)算任務(wù)、通信任務(wù)等）。FPGA芯片相對(duì)專用集成電路（如ASIC芯片）更具靈活性，相對(duì)傳統(tǒng)可編程器件可添加更大規(guī)模電路數(shù)量以實(shí)現(xiàn)多元功能。

物理結(jié)構(gòu)：FPGA芯片主要由三部分組成，分別為IOE（input output element，輸入輸出單元）、LAB（logic array block，邏輯陣列塊，賽靈思定義為可配置邏輯塊CLB）以及Interconnect（內(nèi)部連接線）。

2、FPGA芯片的特點(diǎn)及分類

FPGA芯片在實(shí)時(shí)性（數(shù)據(jù)信號(hào)處理速度快）、靈活性等方面具備顯著優(yōu)勢，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域占據(jù)不可替代地位，同時(shí)具有開發(fā)難度高的特點(diǎn)。

FPGA芯片具備以下特點(diǎn)：

適用性強(qiáng)：是專用電路中開發(fā)周期最短、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)最低的器件之一（部分客戶無需投資研發(fā)即可獲得適用FPGA芯片）。

并行計(jì)算：FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應(yīng)數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能。

兼容性強(qiáng)：FPGA芯片可與CMOS、TTL等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計(jì)算任務(wù)。

設(shè)計(jì)靈活：屬于硬件可重構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器。

地位提升：早期在部分應(yīng)用場景是ASIC芯片的批量替代品；近期隨微軟等頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心規(guī)模擴(kuò)大，F(xiàn)PGA芯片應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

FPGA廠商主要提供基于兩種技術(shù)類型的FPGA芯片：Flash技術(shù)類、SRAM技術(shù)類（Static Random-access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。兩類技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面編程功能，具備較高計(jì)算性能，系統(tǒng)門陣列密度均可超過1兆。

核心區(qū)別：基于Flash的可編程器件具備非易失性特征，即電流關(guān)閉后，所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不消失。而基于SRAM技術(shù)的FPGA芯片不具備非易失性特征，是應(yīng)用范圍最廣泛的架構(gòu)。

二、FPGA芯片與其他主流芯片對(duì)比

CPU為通用型器件，F(xiàn)PGA架構(gòu)相對(duì)CPU架構(gòu)偏重計(jì)算效率，依托FPGA并行計(jì)算處理視覺算法可大幅提升計(jì)算速率，降低時(shí)延

1、FPGA芯片相較于CPU芯片

CPU處理計(jì)算指令流程：CPU通過專用譯碼器接收任務(wù)指令，接收過程分為兩步：指令獲取（CPU從專門存放指令的存儲(chǔ)器中提取執(zhí)行指令）以及指令翻譯（根據(jù)特定規(guī)則將指令翻譯為數(shù)據(jù)并傳輸至計(jì)算單元）。其中計(jì)算單元為晶體管（CPU基本元件），“開”、“關(guān)”分別對(duì)應(yīng)“1”、“0”機(jī)器碼數(shù)字。? CPU處理計(jì)算指令特點(diǎn)：? CPU物理結(jié)構(gòu)包括Control（指令獲取、指令翻譯）、Cache（臨時(shí)指令存儲(chǔ)器）、計(jì)算單元ALU（約占CPU空間20%）。

CPU為通用型計(jì)算任務(wù)處理核心，可處理來自多個(gè)設(shè)備的計(jì)算請(qǐng)求，可隨時(shí)終止當(dāng)前運(yùn)算，轉(zhuǎn)向其他運(yùn)算。? 邏輯控制單元及指令翻譯結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可從中斷點(diǎn)繼續(xù)計(jì)算任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)高度通用性而犧牲計(jì)算效率。

CPU視覺算法與FPGA視覺算法比較：

CPU架構(gòu)：CPU用于處理視覺算法需按指定順序執(zhí)行指令，第一指令在圖像整體運(yùn)行完成后，第二指令開始運(yùn)行。在4步操作指令環(huán)境下，設(shè)定單個(gè)操作指令運(yùn)行需10毫秒，完成總算法耗時(shí)約40毫秒。

FPGA架構(gòu)：FPGA用于處理視覺算法采取規(guī)模化并行運(yùn)算模式，可于圖像不同像素內(nèi)同時(shí)運(yùn)行4步操作指令。設(shè)定單個(gè)操作操作指令運(yùn)行需10毫秒，F(xiàn)PGA完成圖像整體視覺算法處理時(shí)間僅為10毫秒，F(xiàn)PGA圖像處理速度顯著快于CPU。

“FPGA CPU”架構(gòu)：此架構(gòu)下，圖像在CPU與FPGA之間傳輸，包含傳輸時(shí)間在內(nèi)的算法整體處理時(shí)間仍低于純CPU架構(gòu)。

算法案例：以卷積濾鏡圖像銳化計(jì)算任務(wù)為例，系統(tǒng)需通過閾值運(yùn)行圖像生產(chǎn)二進(jìn)制圖像。CPU架構(gòu)下，系統(tǒng)需在閾值步驟前完成圖像整體卷積步驟，F(xiàn)PGA則支持相同算法同時(shí)運(yùn)行，相對(duì)CPU架構(gòu)，卷積計(jì)算速度提升約20倍。

2、FPGA芯片相較于GPU芯片

GPU物理結(jié)構(gòu)：GPU為圖形處理器，針對(duì)各類計(jì)算機(jī)圖形繪制行為進(jìn)行運(yùn)算（如頂點(diǎn)設(shè)置、光影操作、像素操作等），標(biāo)準(zhǔn)GPU包括2D引擎、3D引擎、視頻處理引擎、顯存管理單元等。其中，3D引擎包含T&L單元、 PiexlShader等。

GPU處理計(jì)算指令流程：

頂點(diǎn)處理：GPU讀取3D圖形頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)外觀數(shù)據(jù)確定3D圖形形狀、位置關(guān)系，建立3D圖形骨架。

光柵化計(jì)算：顯示器圖像由像素組成，系統(tǒng)需將圖形點(diǎn)、線通過算法轉(zhuǎn)換至像素點(diǎn)。矢量圖形轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)為光柵化計(jì)算過程。

紋理貼圖：通過紋理映射對(duì)多變形表面進(jìn)行貼圖處理，進(jìn)而生成真實(shí)圖形。

像素處理：GPU對(duì)光柵化完成的像素進(jìn)行計(jì)算、處理，確定像素最終屬性，多通過Pixel Shader（像素著色器）完成。

GPU與FPGA特點(diǎn)對(duì)比：

峰值性：GPU計(jì)算峰值（10Tflops）顯著高于FPGA計(jì)算峰值（小于1TFlops）。GPU架構(gòu)依托深度流水線等技術(shù)可基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫實(shí)現(xiàn)手工電路定制。相對(duì)而言，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)資源受限，型號(hào)選擇決定邏輯資源上限（浮點(diǎn)運(yùn)算資源占用較高），F(xiàn)PGA邏輯單元基于SRAM查找表，布線資源受限。

內(nèi)存接口：GPU內(nèi)存接口（雙倍數(shù)據(jù)傳輸率存儲(chǔ)器等）帶寬優(yōu)于FPGA使用的DDR（雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）接口，滿足機(jī)器學(xué)習(xí)頻繁訪問內(nèi)存需求。

靈活性：FPGA可根據(jù)特定應(yīng)用編程硬件，GPU設(shè)計(jì)完成后無法改動(dòng)硬件資源，遠(yuǎn)期機(jī)器學(xué)習(xí)使用多條指令平行處理單一數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA硬件資源靈活性更能滿足需求。

功耗：GPU 平 均 功 耗 （200W） 遠(yuǎn) 高 于 FPGA 平 均 功 耗（10W），可有效解決散熱問題。

3、FPGA芯片相較于ASIC芯片

ASIC芯片專用度高，開發(fā)流程非重復(fù)成本（流片）極高，5G商用普及初期，F(xiàn)PGA可依托靈活性搶占市場，但規(guī)模化量產(chǎn)場景下，ASIC芯片更具競爭優(yōu)勢

ASIC與FPGA開發(fā)流程區(qū)別：

ASIC需從標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能需求及性能需求發(fā)生變化時(shí)，ASIC芯片設(shè)計(jì)需經(jīng)歷重新投片，設(shè)計(jì)流程時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本較高。

FPGA包括預(yù)制門和觸發(fā)器，具備可編程互聯(lián)特性，可實(shí)現(xiàn)芯片功能重新配置。相對(duì)而言，ASIC芯片較少具備重配置功能。

ASIC與FPGA經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本區(qū)別：ASIC設(shè)計(jì)過程涉及固定成本，設(shè)計(jì)過程造成材料浪費(fèi)較少，相對(duì)FPGA重復(fù)成本較低，非重復(fù)成本較高（平均超百萬美元）。

FPGA重復(fù)成本高于同類ASIC芯片，規(guī)模化量產(chǎn)場景下，ASIC芯片單位IC成本隨產(chǎn)量增加持續(xù)走低，總成本顯著低于FPGA芯片。

FPGA無需等待芯片流片周期，編程后可直接使用，相對(duì)ASIC有助于企業(yè)節(jié)省產(chǎn)品上市時(shí)間。

技術(shù)未成熟階段，F(xiàn)PGA架構(gòu)支持靈活改變芯片功能，有助于降低器件產(chǎn)品成本及風(fēng)險(xiǎn)，更適用于5G商用初期的市場環(huán)境。

三、中國FPGA芯片產(chǎn)業(yè)鏈分析

FPGA芯片構(gòu)成人工智能芯片重要細(xì)分市場，產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)長，F(xiàn)PGA廠商作為中游企業(yè)對(duì)上游軟、硬件供應(yīng)商及下游客戶企業(yè)議價(jià)能力均較強(qiáng)

中國FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈由上游底層算法設(shè)計(jì)企業(yè)、EDA工具供應(yīng)商、晶圓代工廠、專用材料及設(shè)備供應(yīng)商，中游各類FPGA芯片制造商、封測廠商及下游包括視覺工業(yè)廠商、汽車廠商、通信服務(wù)供應(yīng)商、云端數(shù)據(jù)中心等在內(nèi)的應(yīng)用場景客戶企業(yè)構(gòu)成。

1、中國FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游分析

FPGA芯片作為可編程器件，流片需求較少，對(duì)上游代工廠依賴度較低，需專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、算法架構(gòu)支持。

底層算法架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)FPGA芯片設(shè)計(jì)對(duì)底層算法架構(gòu)依賴度較低，上游算法供應(yīng)商對(duì)中游FPGA芯片研發(fā)制造企業(yè)議價(jià)能力有限。境外算法架構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)包括高通、ARM、谷歌、微軟、IBM等。

專用軟件供應(yīng)商FPGA芯片企業(yè)需通過EDA等開發(fā)輔助軟件（quartus、vivado等）完成設(shè)計(jì)。可提供EDA軟件的國際一流企業(yè)（如Synopsys）向芯片研發(fā)企業(yè)收取高昂模塊使用費(fèi)。中國市場可提供EDA產(chǎn)品的企業(yè)較少，以芯禾電子、華大九天 、博達(dá)微科技等為代表，中國EDA企業(yè)研發(fā)起步較晚，軟件產(chǎn)品穩(wěn)定性、成熟度有待提高。中國FPGA芯片研發(fā)企業(yè)采購境外EDA軟件產(chǎn)品成本高昂，遠(yuǎn)期有待境內(nèi)EDA企業(yè)消除與境外同類企業(yè)差距，為中游芯片企業(yè)提供價(jià)格友好型EDA產(chǎn)品。

當(dāng)前中國主流晶圓廠約30家，在規(guī)格上分別涵蓋8英寸晶圓、12英寸晶圓。其中，8英寸晶圓廠相對(duì)12英寸晶圓廠數(shù)量較多。中國本土12英寸晶圓廠以武漢新芯、中芯國際、紫光等為例，平均月產(chǎn)能約65千片。在中國設(shè)立晶圓廠的境外廠商包括Intel、海力士等。中國晶圓廠發(fā)展速度較快，如武漢新芯12寸晶圓以平均月產(chǎn)能200千片超過海力士平均月產(chǎn)能160千片。

2、中國FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中游分析

中國FPGA芯片行業(yè)中游企業(yè)擁有較大利潤空間，隨研發(fā)能力積累及應(yīng)用市場成熟，中游行業(yè)格局或發(fā)生裂變，從發(fā)展硬件、器件研發(fā)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向發(fā)展軟件、平臺(tái)搭建業(yè)務(wù)。

FPGA芯片利潤空間巨大：

相對(duì)CPU、GPU、ASIC等產(chǎn)品，F(xiàn)PGA芯片利潤率較高。

中低密度百萬門級(jí)、千萬門級(jí)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)利潤率接近50%（可參考iPhone毛利率接近50%的水平）。高密度億門級(jí)FPGA芯片研發(fā)企業(yè)利潤率近70%（可以賽靈思、Intel收購的Altera為例）。

中國中游企業(yè)面臨市場潛力釋放節(jié)點(diǎn)：

相較賽靈思、Intel等巨頭，中國FPGA在研發(fā)方面起步晚，但研發(fā)進(jìn)度逐漸趕上（與全球頭部廠商相差3代縮短至約2代）。

2017年起，中國FPGA邁入發(fā)展關(guān)鍵階段（從反向設(shè)計(jì)向正向設(shè)計(jì)全面過渡）。本報(bào)告期內(nèi)中美貿(mào)易摩擦加劇背景下，完成初期積累的中國FPGA行業(yè)中游企業(yè)面臨較好發(fā)展機(jī)遇。相對(duì)全球集成電路領(lǐng)域超4,600億美元市場規(guī)模，F(xiàn)PGA市場規(guī)模較小，存在增量釋放空間。

產(chǎn)業(yè)格局或發(fā)生變化：

隨FPGA行業(yè)中游企業(yè)集中度提高，行業(yè)格局或發(fā)生裂變。中國企業(yè)可通過市場策略調(diào)整，從硬件研發(fā)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向軟件設(shè)計(jì)，從器件研發(fā)轉(zhuǎn)向平臺(tái)建設(shè)。

3、中國FPGA芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈下游分析

中國FPGA芯片行業(yè)下游應(yīng)用市場覆蓋范圍廣泛，以電子通信、消費(fèi)電子占據(jù)頭部，工業(yè)控制、機(jī)器人控制、視頻控制、自動(dòng)駕駛和服務(wù)器等多領(lǐng)域具備巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

FPGA廠商偏重通信市場及消費(fèi)電子場景中國FPGA應(yīng)用市場以消費(fèi)電子、通信為主。本土芯片在產(chǎn)品硬件性能等方面落后于境外高端產(chǎn)品，在高端民用市場尚不具備競爭力，但短期在LED顯示、工業(yè)視覺等領(lǐng)域出貨量較高。隨中國企業(yè)技術(shù)突破及5G技術(shù)成熟，中國FPGA廠商在通信領(lǐng)域或取得市場份額高增長。

汽車、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用緊隨其后2025年后，邊緣計(jì)算技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)在智慧交通網(wǎng)絡(luò)、超算中心全面鋪開，自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域FPGA應(yīng)用市場成長速度將超過通信、消費(fèi)電子市場。

FPGA芯片下游應(yīng)用市場規(guī)模增長情況：2018年，通信、消費(fèi)電子、汽車三大場景構(gòu)成全球FPGA芯片總需求規(guī)模約80%以上，且市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。FPGA器件作為5G基站、汽車終端設(shè)備、邊緣計(jì)算設(shè)備核心器件，加速效果顯著，面臨下游市場確定性增量需求。隨中游本土企業(yè)實(shí)力提升，遠(yuǎn)期國產(chǎn)FPGA芯片產(chǎn)品或以低價(jià)優(yōu)勢切入下游市場，降低下游企業(yè)采購高端可編程器件成本。

四、中國FPGA芯片行業(yè)市場規(guī)模

應(yīng)用場景對(duì)FPGA芯片存量需求持續(xù)提升，5G、人工智能技術(shù)發(fā)展推動(dòng)中國FPGA市場擴(kuò)張，刺激增量需求釋放。

1、FPGA芯片行業(yè)市場規(guī)模

隨下游應(yīng)用市場拓展，中國FPGA行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)提升。2018年，中國范圍FPGA市場規(guī)模接近140億元。5G新空口通信技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步刺激中國FPGA市場擴(kuò)容。預(yù)計(jì)2023年，中國FPGA芯片市場規(guī)模將接近460億元。

全球FPGA市場規(guī)模潛力將釋放，主要得益于以下因素：

下游應(yīng)用場景趨于廣泛：FPGA芯片相對(duì)ASIC更具靈活性，可節(jié)省流片時(shí)間成本，上市時(shí)間短，應(yīng)用場景從通信收發(fā)器、消費(fèi)電子等拓展至汽車電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)視覺、醫(yī)療檢測等，短期內(nèi)中國FPGA應(yīng)用場景保持分散格局，存量市場、增量市場均存在擴(kuò)容空間。

部分應(yīng)用場景不可替代性：FPGA芯片在技術(shù)不穩(wěn)定、靈活度需求高、需求量小的場景具備ASIC、CPU、GPU不可替代的低研發(fā)成本、制造成本優(yōu)勢（器件可根據(jù)具體需求完成現(xiàn)場編程需求）。

全球市場份額分析：

亞太市場需求顯著亞太地區(qū)市場是FPGA的主要應(yīng)用市場，占全球市場份額超40%。截至2018年底，中國FPGA市場規(guī)模接近140億元，且隨5G通信基礎(chǔ)設(shè)施鋪開而面臨較大增量需求空間。

北美龍頭企業(yè)把持頭部市場北美地區(qū)賽靈思、Intel（收購Altera）保持FPGA市場雙寡頭壟斷格局。中國FPGA市場中，賽靈思份額超過50%，Intel份額接近30%。

五、FPGA芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度持續(xù)提高

2016至2018年，全球FPGA研發(fā)領(lǐng)域高性能、高安全性可編程芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目比重提高，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)復(fù)雜度日趨提升。

安全特性需求增加，高性能FPGA芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高。

安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南增加：

安全特性需求增加可以安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南增加為表現(xiàn)。2016年及歷史FPGA開發(fā)項(xiàng)目多基于一個(gè)安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，2018年及以后，更多FPGA研發(fā)項(xiàng)目以一個(gè)或多個(gè)安全關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)、指南進(jìn)行開發(fā)。

安全保證硬件模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目增加：

安全保證硬件模塊設(shè)計(jì)多用于加密密鑰、數(shù)字權(quán)限管理密鑰、密碼、生物識(shí)別參考數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。相對(duì)2016年，2018年全球FPGA安全特性模塊設(shè)計(jì)項(xiàng)目占比顯著增加（增幅超5%）。安全特性提升增加設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求及驗(yàn)證復(fù)雜度。

其他設(shè)計(jì)項(xiàng)目提高芯片驗(yàn)證復(fù)雜性：

①嵌入式處理器核心數(shù)量增加：相對(duì)2016年，2018年更多FPGA設(shè)計(jì)趨向SoC類（SoC-class）設(shè)計(jì)。2018年，超過40%FPGA設(shè)計(jì)包含2個(gè)或2個(gè)以上嵌入式處理器，接近15%FPGA設(shè)計(jì)包含4個(gè)或以上嵌入式處理器，SoC類設(shè)計(jì)增加驗(yàn)證流程復(fù)雜性。

②異步時(shí)鐘域數(shù)量增加：2018年，約90%FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目包含2個(gè)或以上異步時(shí)鐘域，多個(gè)異步時(shí)鐘域驗(yàn)證需求增加驗(yàn)證工作量（驗(yàn)證模型趨于復(fù)雜，代碼異常增加）。

六、應(yīng)用場景及市場需求

1、廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)強(qiáng)化項(xiàng)目

FPGA芯片更適用于非固定、非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器學(xué)習(xí)演化環(huán)境。

FPGA在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)越? 性能對(duì)比可參考賽靈思公開測試結(jié)果針對(duì)GPU、FPGA在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的性能表現(xiàn)，賽靈思曾公布reVISION系列FPGA芯片與英偉達(dá)Tegra X1系列GPU芯片基準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)PGA方案在單位功耗圖像捕獲速度方面優(yōu)于GPU方案6倍，在計(jì)算機(jī)視覺處理幀速率方面優(yōu)于GPU方案42倍，同時(shí)，F(xiàn)PGA時(shí)延為GPU時(shí)延1/5。賽靈思FPGA與Intel芯片能效對(duì)比相對(duì)Intel Arria 10 SoC系列CPU器件，賽靈思FPGA器件可助力深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺運(yùn)算效率提升3倍至7倍。

企業(yè)采取新架構(gòu)（視覺數(shù)據(jù)傳輸至FPGA加速邊緣服務(wù)器集群）：

FPGA對(duì)流處理進(jìn)行優(yōu)化FPGA方案可針對(duì)視頻分析、深度學(xué)習(xí)推理進(jìn)行流處理（大數(shù)據(jù)處理手段技術(shù)之一）優(yōu)化。基于靈活可編程特點(diǎn)，F(xiàn)PGA方案可滿足重新配置需求，適用于庫存管理、欺詐控制、面部識(shí)別等普通模型以及跟蹤、自然語言交互、情感檢測等復(fù)雜模型。

初創(chuàng)企業(yè)積極采取FPGA方案初創(chuàng)企業(yè)如Megh Computing、PointR.ai等積極采用FPGA方案建立新型視頻數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，發(fā)揮緊湊、低功耗計(jì)算模塊優(yōu)勢。

△來源：Wilson Research Group and Mentor，頭豹研究院編輯整理

2、5G通信體系建設(shè)提高對(duì)FPGA芯片需求

通信場景是FPGA芯片在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用最廣泛的場景（占比約40%），隨5G通信技術(shù)發(fā)展、硬件設(shè)備升級(jí)（基站天線收發(fā)器創(chuàng)新），F(xiàn)PGA面臨強(qiáng)勁市場需求驅(qū)動(dòng)。

5G通信規(guī)模化商用在即，推動(dòng)FPGA芯片用量提升、價(jià)格提升空間釋放。

新型基站天線收發(fā)器采用FPGA芯片5G時(shí)期Massive MIMO基站技術(shù)條件下，基站收發(fā)通道數(shù)量從16T16R（雙模解決方案）提升至最高128T128R，可采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)波束成形。如64通道毫米波MIMO全DBF收發(fā)器中頻和基帶子系統(tǒng)采用賽靈思Kintex-7系列FPGA。中頻和基帶子系統(tǒng)疊加實(shí)現(xiàn)通用無線接入功能。

在FPGA芯片行業(yè)內(nèi)有10年以上產(chǎn)品開發(fā)、 算法研究經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專家表示，F(xiàn)PGA相對(duì)CPU、GPU在功耗及計(jì)算速度方面具備優(yōu)勢，通信設(shè)備企業(yè)將加大FPGA器件在基站天線收發(fā)器等核心設(shè)備中的應(yīng)用（如頭部移動(dòng)通信設(shè)備廠商京信通信于新型收發(fā)器產(chǎn)品嵌入FPGA芯片）。

全球FPGA通信市場快速增長截至2018年底，全球FPGA通信市場占據(jù)應(yīng)用市場整體近45%。2020年至2025年，全球FPGA通信市場規(guī)模年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)近10%。

5G基礎(chǔ)設(shè)施將以FPGA器件為核心組件5G通信市場增長具備確定性。相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（機(jī)房、宏站、微站等）滲透物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等多元領(lǐng)域，5G基建項(xiàng)目以FPGA為核心零部件，推動(dòng)FPGA價(jià)格上升空間釋放。

未來10年，小基站數(shù)量或超10,000座，基站數(shù)量帶動(dòng)FPGA器件用量提升。

5G MIMO基站面臨數(shù)據(jù)高并發(fā)處理需求，單個(gè)基站FPGA用量整體提高（從4G時(shí)期2至3塊增加至5G時(shí)期4至5塊）。

現(xiàn)階段基站用FPGA均價(jià)處于100元以內(nèi)，技術(shù)復(fù)雜度提高等因素推動(dòng)價(jià)格走高（>100元）。

3、自動(dòng)駕駛規(guī)模化商用提升對(duì)FPGA需求

FPGA巨頭紛紛看好自動(dòng)駕駛賽道截至2018年底，全球汽車半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模接近400億美元，其中，F(xiàn)PGA應(yīng)用于汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域市場僅占約2.5%。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)車載芯片提出更高要求，主控芯片需求從傳統(tǒng)GPU拓展至ASIC、FPGA等芯片類型。

現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA芯片在車載攝像頭、傳感器等硬件設(shè)備中的應(yīng)用趨于成熟。此外，得益于編程靈活性，F(xiàn)PGA芯片在激光雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)駕駛汽車高度依賴傳感器、攝像頭等硬件設(shè)備及車內(nèi)網(wǎng)等軟件系統(tǒng)，對(duì)FPGA芯片數(shù)量需求顯著。頭部FPGA廠商（如賽靈思）搶占智能駕駛賽道，逐步加大與車企及車聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的合作，截至2018年底，賽靈思FPGA方案嵌入車型拓展至111種。

FPGA在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用覆蓋面廣FPGA芯片在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域可應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)、激光雷達(dá)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、馬達(dá)控制、車內(nèi)娛樂信息系統(tǒng)、駕駛員信息系統(tǒng)等板塊，應(yīng)用面廣泛。具體可以魔視智能自動(dòng)泊車系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)將FPGA芯片接入車內(nèi)網(wǎng)CAN總線，連接藍(lán)牙、SD卡等通信組件，并通過MCU等與攝像頭、傳感器裝置連接。FPGA大廠賽靈思積極布局ADAS領(lǐng)域。遠(yuǎn)期ADAS系統(tǒng)更趨復(fù)雜（包括前視攝像頭、駕駛監(jiān)視攝像頭、全景攝像頭、近程雷達(dá)、遠(yuǎn)程激光雷達(dá)等），推動(dòng)FPGA用量空間增大。2025年，自動(dòng)駕駛進(jìn)入規(guī)模化商用階段，將持續(xù)推動(dòng)FPGA與汽車電子、車載軟件系統(tǒng)的融合。

七、中國FPGA芯片行業(yè)制約因素——FPGA設(shè)計(jì)人才團(tuán)隊(duì)實(shí)力匱乏

FPGA芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域門檻高（高于CPU、存儲(chǔ)器、DSP），中國本土廠商起步晚，處于產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)初期階段，在人才資源儲(chǔ)備方面基礎(chǔ)薄弱。

1、相對(duì)國際市場，中國FPGA芯片設(shè)計(jì)人才儲(chǔ)備不足

中國FPGA領(lǐng)域人才儲(chǔ)備約為美國相應(yīng)人才儲(chǔ)備1/10。根據(jù)中國國際人才交流基金會(huì)等機(jī)構(gòu)發(fā)布的《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書》顯示，截至2018年底，中國集成電路產(chǎn)業(yè)存量人才約40萬人，該產(chǎn)業(yè)人才需求約于2020年突破70萬人，存在約30萬人以上人才缺口。在FPGA板塊，美國頭部廠商Intel、賽靈思、Lattice等及高校和研究機(jī)構(gòu)相關(guān)人才近萬人，相對(duì)而言，中國FPGA設(shè)計(jì)研發(fā)人才匱乏，頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技等研發(fā)人員儲(chǔ)備平均不足200人，產(chǎn)業(yè)整體人才團(tuán)隊(duì)不足千人，成為制約中國FPGA芯片行業(yè)技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品升級(jí)的核心因素。

2、行業(yè)發(fā)展起步晚，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)缺失

中國FPGA行業(yè)于2000年起步，美國則具備自20世紀(jì)80年代研發(fā)起步的背景。2010年，中國FPGA芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。美國高校與芯片廠商聯(lián)動(dòng)緊密，將大量技術(shù)輸送給企業(yè)，相較而言，中國企業(yè)缺乏與高校等研究機(jī)構(gòu)合作經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)不足，行業(yè)現(xiàn)有核心人才多從海外引進(jìn)。

3、研發(fā)實(shí)力匱乏制約企業(yè)成長

全球頭部FPGA廠商依托專利技術(shù)積累及人才培養(yǎng)，以及早于中國企業(yè)20年的發(fā)展經(jīng)歷，在全球范圍牢固占據(jù)第一梯隊(duì)陣營。FPGA行業(yè)進(jìn)入門檻高，中國頭部企業(yè)較難取得后發(fā)優(yōu)勢。現(xiàn)階段，賽靈思已進(jìn)入7納米工藝億門級(jí)高端FPGA產(chǎn)品研發(fā)階段，中國頭部廠商如紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等啟動(dòng)28納米工藝千萬門級(jí)（7,000萬）中高密度FPGA研發(fā)工作，與全球頂尖水平相差約2代至3代，亟需人才資源支持。

八、中國FPGA芯片行業(yè)政策法規(guī)——政策分析

為進(jìn)一步引導(dǎo)FPGA行業(yè)有序發(fā)展，凸顯集成電路產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位，國家政策部門整合行業(yè)、市場、用戶資源，為中國集成電路企業(yè)向國際第一梯隊(duì)目標(biāo)發(fā)展打造政策基礎(chǔ)。

“十二五”以來，國家強(qiáng)調(diào)集成電路產(chǎn)業(yè)作為先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)的地位，更加重視芯片科技發(fā)展對(duì)工業(yè)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)和信息技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。國家從市場需求、供給、產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)、價(jià)值鏈等層面出發(fā)，出臺(tái)多項(xiàng)利好政策。

九、全球FPGA市場競爭格局

全球FPGA芯片市場競爭高度集中，頭部廠商占領(lǐng)“制空權(quán)”，新入局企業(yè)通過產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，智能化市場需求或?qū)PGA技術(shù)推向主流。

全球FPGA市場由四大巨頭Xilinx賽靈思，Intel英特爾（收購Altera）、Lattice萊迪思、Microsemi美高森美壟斷，四大廠商壟斷9,000余項(xiàng)專利技術(shù)，把握行業(yè)“制空權(quán)”。

截至2018年底，全球范圍FPGA市場規(guī)模由賽靈思占據(jù)首位（49%），英特爾（Altera）占比超30%，Lattice及Microsemi占據(jù)全球市場規(guī)模均超5%。相對(duì)而言，中國廠商整體僅占全球FPGA市場份額不足3%。

FPGA芯片行業(yè)形成以來，全球范圍約有超70家企業(yè)參與競爭，新創(chuàng)企業(yè)層出不窮（如Achronix Semiconductor、MathStar等）。產(chǎn)品創(chuàng)新為行業(yè)發(fā)展提供動(dòng)能，除傳統(tǒng)可編程邏輯裝置（純數(shù)字邏輯性質(zhì)），新型可編程邏輯裝置（混訊性質(zhì)、模擬性質(zhì)）創(chuàng)新速度加快，具體如Cypress Semiconductor 研 發(fā) 具 有 可 組 態(tài) 性 混 訊 電 路 PSoC（Programmable System on Chip），再如Actel推出Fusion（可程序化混訊芯片）。此外，部分新創(chuàng)企業(yè)推出現(xiàn)場可編程模擬數(shù)組FPAA（Field Programmable Analog Array）等。

隨智能化市場需求變化演進(jìn)，高度定制化芯片（SoC ASIC）因非重復(fù)投資規(guī)模大、研發(fā)周期長等特點(diǎn)導(dǎo)致市場風(fēng)險(xiǎn)劇增。相對(duì)而言，F(xiàn)PGA在并行計(jì)算任務(wù)領(lǐng)域具備優(yōu)勢，在高性能、多通道領(lǐng)域可以代替部分ASIC。人工智能領(lǐng)域多通道計(jì)算任務(wù)需求推動(dòng)FPGA技術(shù)向主流演進(jìn)。

基于FPGA芯片在批量較小（流片5萬片為界限）、多通道計(jì)算專用設(shè)備（雷達(dá)、航天設(shè)備）領(lǐng)域的優(yōu)勢，下游部分應(yīng)用市場以FPGA取代ASIC應(yīng)用方案。

國際競爭格局：全球FPGA市場早期由美國兩大巨頭（賽靈思、Altera）高度壟斷，經(jīng)市場一系列并購行為及初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)影響，國際市場第一梯隊(duì)陣營擴(kuò)容（包括賽靈思、Intel、Lattice、Microsemi、Achronix、Flexlogic、Quicklogic等）。

中國FPGA廠商：中國FPGA芯片研發(fā)企業(yè)可以紫光同創(chuàng)、國微電子、成都華微電子、安路科技、智多晶、高云半導(dǎo)體、上海復(fù)旦微電子和京微齊力為例。從產(chǎn)品角度分析，中國FPGA硬件性能指標(biāo)相較賽靈思、Intel等差距較大。紫光同創(chuàng)是當(dāng)前中國市場唯一具備自主產(chǎn)權(quán)千萬門級(jí)高性能FPGA研發(fā)制造能力的企業(yè)。上海復(fù)旦微電子于2018年5月推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)億門級(jí)FPGA產(chǎn)品。中國FPGA企業(yè)緊跟大廠步伐，布局人工智能、自動(dòng)駕駛等市場，打造高、中、低端完整產(chǎn)品線。

中國FPGA企業(yè)競爭突破口：現(xiàn)階段中國FPGA廠商芯片設(shè)計(jì)軟件、應(yīng)用軟件不統(tǒng)一，易在客戶端造成資源浪費(fèi)，頭部廠商可帶頭集中產(chǎn)業(yè)鏈資源，提高行業(yè)整體競爭力。

十、中國FPGA芯片行業(yè)TOP10企業(yè)

中國FPGA芯片行業(yè)競爭主體包括研發(fā)類企業(yè)及應(yīng)用解決方案供應(yīng)商，隨人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)速發(fā)展推動(dòng)，中國FPGA廠商迎來市場切入最佳時(shí)期。

中國FPGA廠商特點(diǎn)：FPGA芯片行業(yè)競爭高度集中，中國FPGA廠商多以40nm、55nm產(chǎn)品系列為主，在中國市場及全球市場競爭力尚不可與賽靈思、英特爾匹敵（制造工藝、規(guī)模容量、軟件能力均處于劣勢）。中國廠商亟需在高集中度市場中尋求突圍路徑。2017年，通信行業(yè)剛需加速FPGA芯片國產(chǎn)化進(jìn)程，但中國廠商多采取“低價(jià)競爭”策略，無法實(shí)現(xiàn)良性、可持續(xù)競爭。

中國廠商突破競爭瓶頸可從兩方面著手：FPGA制造工藝從28nm向16nm過渡，并向國際領(lǐng)先水平7nm靠近，芯片邏輯單元規(guī)模從500K向1M、2M過度，遠(yuǎn)期可挑戰(zhàn)3D芯片技術(shù)。廠商可依托可測性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、高測試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)管理突破質(zhì)量瓶頸，采取“技術(shù) 產(chǎn)品 管理”策略取勝。

芯片開發(fā)企業(yè)：中國市場FPGA研發(fā)企業(yè)可以京微齊力、復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技、智多晶等為例。

應(yīng)用解決方案企業(yè)：應(yīng)用解決方案供應(yīng)商具體可以聯(lián)捷科技、深維科技、傲睿智存為例。

TOP10企業(yè)特點(diǎn)：

中國FPGA芯片行業(yè)TOP10企業(yè)逐步推進(jìn)FPGA技術(shù)國產(chǎn)化進(jìn)程，受制造能力、封測工藝、IP資源等因素影響，中國FPGA芯片企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力亟待提升。

紫光同創(chuàng)：推出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模FPGA開發(fā)軟件Pango DesignSuite，可支持千萬門級(jí)FPGA器件設(shè)計(jì)開發(fā)

高云半導(dǎo)體：推出中國首顆55nm嵌入式Flash SRAM非易失性FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)可編程邏輯器件、嵌入式處理器無縫連接

安路科技：開展28nm、12nm千萬門級(jí)、五千萬門級(jí)FPGA、SoCFPGA研發(fā)工作，自主開發(fā)HDL描述至片上調(diào)試的完整系統(tǒng)

遨格芯微：推出中國首個(gè)通用FPGA產(chǎn)品系列，在軟件及硬件引腳封裝等方面保持較高相互兼容性，支持低中高端嵌入式應(yīng)用和升級(jí)

復(fù)旦微電子：集成專用超高速串并轉(zhuǎn)換模塊、高靈活可配置模塊、等適用億門級(jí)FPGA應(yīng)用的模塊電路

智多晶：實(shí)現(xiàn)55nm、40nm工藝中密度FPGA量產(chǎn)，自主研發(fā)FPGA開發(fā)軟件“HqFpga”, 支持布局布線、時(shí)序分析、內(nèi)邏輯分析等任務(wù)

京微齊力：采用40納米工藝芯片應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具備100項(xiàng)以上FPGA專利及專有技術(shù)（國際專利）授權(quán)及二次開發(fā)權(quán)

聯(lián)捷科技：研發(fā)基于CNN的圖片分析技術(shù)，推出FPGA加速方案，可將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別速度提升兩倍。

深維科技：側(cè)重于FPGA AI應(yīng)用開發(fā)，團(tuán)隊(duì)具備Cadence、IBM、中科院等大廠經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品工程能力占據(jù)優(yōu)勢。

傲睿智存：提供新型FPGA視頻轉(zhuǎn)解碼服務(wù)，無需更換、添加硬件即可支持深度學(xué)習(xí)應(yīng)用直接開發(fā)。

十一、專家觀點(diǎn)——中國FPGA芯片行業(yè)投資邏輯及風(fēng)險(xiǎn)概述

專家建議未來5年內(nèi)，投資團(tuán)隊(duì)關(guān)注中國FPGA市場可依據(jù)先C端后B端，先應(yīng)用場景后技術(shù)開發(fā)，先產(chǎn)品級(jí)后芯片級(jí)的投資邏輯注入資金。

投資邏輯：

由C端至B端：中國范圍C端市場（應(yīng)用側(cè)）易出爆款，短期內(nèi)高清云游戲、高清視頻可催生大量應(yīng)用場景。隨用戶端應(yīng)用場景數(shù)量增加，設(shè)備對(duì)底層計(jì)算資源依賴度提升，市場規(guī)模擴(kuò)容較快，專家建議投資團(tuán)隊(duì)尋找有應(yīng)用落地價(jià)值的細(xì)分場景進(jìn)行投資（金融大數(shù)據(jù)分析、圖像視頻處理、基因測序、精準(zhǔn)醫(yī)療、語音識(shí)別、圖像識(shí)別等）。C端應(yīng)用成熟后，投資團(tuán)隊(duì)可集中考慮B端需求，被投對(duì)象可集成解決方案、FPGA第三方，自主開發(fā)PaaS平臺(tái)，針對(duì)銀行客戶、政府客戶等提供產(chǎn)品化服務(wù)。

由場景至技術(shù)：FPGA芯片底層技術(shù)研發(fā)難度高，投入大，專家建議投資團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)從場景投資逐步過渡至技術(shù)投資，技術(shù)投資思路可參考海康、大華、深鑒科技等企業(yè)研發(fā)模式。該類企業(yè)利用FPGA半定制化基礎(chǔ)做邊緣側(cè)芯片（傾向人臉識(shí)別、安防軌跡跟蹤、新零售場景攝像頭等），該類技術(shù)基于既有硬件做再開發(fā)，投資風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)底層技術(shù)研發(fā)較小。

投資風(fēng)險(xiǎn)：

芯片研發(fā)方面，初創(chuàng)企業(yè)如無大廠支持，易面臨資金、技術(shù)困境。

風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避：

避免購置大量FPGA硬件：投資對(duì)象可采用阿里云、騰訊云等數(shù)據(jù)中心提供的FPGA云服務(wù)。

爭取政府資金支持：如在政府資金支持下，新疆某云渲染數(shù)據(jù)中心大量部署GPU、FPGA基礎(chǔ)硬件。

深挖應(yīng)用場景輸出功能特性服務(wù)：無法于短期內(nèi)迅速提升競爭力的企業(yè)可推出針對(duì)細(xì)分場景的專用FPGA芯片，僅輸出算法，經(jīng)由代工廠推出芯片，在得到應(yīng)用場景市場驗(yàn)證的背景下提供具備針對(duì)性功能特性的板卡解決方案。

編輯：芯智訊-林子 來源：頭豹研究院（略有刪減）