国产FPGA芯片，机遇与挑战并存

FPGA

     FPGA是一种数字集成电路芯片，英文全称为Field Programmable Gate Array，中文名称为“现场可编程逻辑门阵列”。FPGA是数字电路的物理实现方式之一[1]。与数字电路的另一种重要实现方式ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片相比，FPGA的一项重要特点是其可编程特性，即用户可通过程序指定FPGA实现某一特定数字电路。

    内部结构与工作原理

   FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。

    这些组成单元在不同型号的FPGA中有所区别，但大同小异，另外，某些型号的FPGA中还可能含有嵌入式处理器，音视频编解码器等电路

    下面利又德小编将以Xilinx公司的XC4000 FPGA为例，介绍FPGA的内部结构。图2所示为XC4000 FPGA的基本内部机构，为讲述方便，图中只绘制了CLB，IOB，和可编程互联资源。CLB内包含有Filp-Flop和LUT等，可实现某些组合或时序逻辑电路；IOB与芯片引脚相连，内部含有缓冲和三态门等电路。可编程逻辑资源将众多IOB与CLB彼此互联，实现完整的电路功能。

图2：XC4000 FPGA的基本内部机构

    FPGA是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路，它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构，让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的ASIC芯片。

    广泛应用在原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。

    FPGA 硬件三大指标：制程、门级数及 SERDES 速率，配套 EDA 软件工具同样重要。比较 FPGA 产品可以从技术指标入手。从 FPGA 内部结构来看，主要包括：可编程输入/输出单元(I/O)、可编程逻辑块、 完整的时钟管理、 嵌入块式 RAM (BRAM)、 布线资源、内嵌的底层功能单元和专用硬件模块等。

    根据赛灵思披露的数据，一个LUT6等效1.6个LC，一个LC对应几十到上百“门”， 1000万门约等于10万LC，即100K CLB级别FPGA。与ASIC不同的是，客户在选购FPGA产品不仅考虑硬件参数，配套EDA软件的性能也同样重要。

    目前国内厂商高端产品在硬件性能指标上均与赛灵思高端产品有较大差距。相对于ASIC，FPGA具有 3 点优势：

1、可编辑，更灵活：通过对 FPGA 编程，FPGA 能够执行ASIC能够执行的任何逻辑功能。FPGA的 独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在5G初期这种特性尤为重要。

  2、产品上市时间短，节省了 ASIC 流片周期：由于FPGA买来编程后既可直接使用，FPGA方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。

  3、避免一次性工程费用，用量较小时具有成本优势：FPGA与ASIC主要区别在ASIC方案有固定成本而FPGA方案几乎 没有，在使用量小的时候，FPGA 方案由于无需支付一次性百万美元的流片成本， 同时也不用承担流片失败风险，FPGA方案的成本低于ASIC，随着使用量的增加， FPGA方案在成本上的优势逐渐缩小，超过某一使用量后，ASIC方案由于大量流 片产生了规模经济，在成本上更有优势。 

    技术趋势: 制程迭代驱动 33 年发展，平台型产品是未来

    历史：1985年赛灵思发明FPGA以来，其容量提高了一万倍以上，速度提高了一 百倍以上，价格和能耗缩小了一千倍以上。受到先进制程迭代的推动，FPGA的架构不断更新。1985年，Xilinx公司推出了全球第一款FPGA产品 XC2064，采 用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85,000个晶体管，门数量不超过1000个。对比2016年赛灵思发布的VIRTEX UltraScale，16nm制程，系统逻辑单元最高达378万个。FPGA制程迭代在提高算力的同时降低了功耗，减小了芯片面积，推动了FPGA的性能提升。 

    未来：在技术趋势上，制程迭代+平台产品将是未来产品发展方向。我们仍然看 好先进制程带给FPGA的性能提升，同时新的产品形态（平台型产品）的出现让FPGA性能有了进一步提升的可能。

    Xilinx和Intel相继发布ACAP和Agilex 平台型产品，根据Xilinx披露的数据，新的平台型产品速度超过当前最高速的 FPGA 20倍、比目前最快的CPU快100倍，该平台面向数据中心、有线网络、5G无线和 汽车驾驶辅助应用。产品进展方面， 2019年6月19日Versal AI Core及Versal Prime系列组件小规模出货，量产时间预计在2019下半年。 

    技术、专利、人才壁垒高，国产替代迎难而上 

技术壁垒高：半个IC设计公司+半个软件公司，硬件结构复杂且良率低，软硬协同再提研发难度。

    FPGA企业的硬件开发部分属于典型的 IC 设计企业，与一般 IC 设计企业不同的是，由于FPGA硬件需要配套EDA软件一起使用，FPGA 公司通 常需要自行研发适配自家硬件的EDA软件，因此也算半个EDA软件公司。由于FPGA版图及布线复杂，硬件设计难度较大，加之软件和硬件协同开发，系统工 程的难度再升级。 

    核心专利被头部公司垄断，国产厂商披荆斩棘艰难前行，专利有效期结束或带来 转机。在专利上国外厂商目前占据绝对优势，Xilinx和Altera在FPGA领域的专利数近10,000个，而国产厂商如紫光同创专利数仅约200项，相差悬殊。未来随着部分专利的有效期结束，及国产厂商在新专利上的突破，专利上的垄断格局或 迎来转机。 

    半导体产业链国产化程度低，硬件自主可控进程难以阻挡，国产当自强。产业链 角度来看，硬件产业链中目前自主可控程度较低，尤其在高端半导体设备和材料领域，未来产业链上下游国产替代进程的推进也将助力国产FPGA加速发展。

  硬件部分上游：EDA+IP。硬件开发用的EDA仍是Cadence、Synopsys 及Mentor Graphics，IP来源包括外部授权和内部开发。硬件部分下游：代工厂+封测。其中代工厂国内厂商主要与台积电及中芯国际合作，封测主要和日月光等合作。 

     全球 63 亿美元市场，Xilinx 与 Altera 双寡头 

    FPGA是集成电路大产业中的小领域，5G和AI为行业增长提供确定性，国产替。

    代叠加行业增长，国产FPGA市场腾飞在即。根据WSTS的数据，2018年全球 集成电路市场规模达到4,688亿美元，同期全球FPGA市场规模约63亿美元，仅 占集成电路市场约1.34%。市场虽小，但未来受益于5G基础设施全球布局及 AI技术持续发展，FPGA行业需求量增长具确定性。行业增长下，国产替代进程将 进一步加速国产FPGA的增长。根据中国半导体行业协会的数据，2017 年国内FPGA市场国产率低于 1%，随着技术突破，国产FPGA腾飞在即。 

    全球FPGA市场规模持续攀升，亚太是FPGA主要市场，未来产业发展可期。根 据Gartner的数据，全球FPGA市场规模2019年达到69亿美元，2025年达到 125亿美元，未来市场增速稳中有升。亚太区占比达到42%，是FPGA主要市场，中国FPGA市场规模约100亿人民币，未来随着中国5G部署及AI技术发展，国内FPGA规模有望进一步扩大。

    国外三巨头占据90%全球市场，国产厂商暂时落后。FPGA市场呈现双寡头垄断 格局，Xilinx和 Altera分别占据全球市场56%和31%，在中国FPGA市场中，占 比也高达52%和28%，由于技术、资金、人才上的壁垒及FPGA量产带来的规模经济，行业领导者地位较为稳定。国产厂商目前在中国市场占比约 4%，未来随着国产厂商技术突破，FPGA领域国产替代或将是百亿级的机会，替代空间广阔。 

5G+AI 催化行业增长，下游需求欲乘风而起

    通信、消费电子、汽车是FPGA下游存量应用场景，市场规模持续增长。由于相对于ASIC的三方面优势（灵活性、上市时间、成本），FPGA的下游应用场景较为丰富，包括：ASIC原型设计、汽车、收发器、消费电子、数据中心、高性能计 算、工业、医疗、测试/测量、有线/无线通信等。其中通信、消费电子和汽车是主要应用场景，2017年三块场景FPGA需求占总需求比例达到 79.4%，市场规模持续扩大。 

    应用场景会保持分散的格局，ASIC在成本上的规模经济限制了FPGA应用场景的集中度，FPGA不可替代性奠定市场基础。由于ASIC具有明显的规模经济，当单一芯片产品用量极大时（一般为超过10万片） ，使用ASIC方案将有成本优势，因此 FPGA 的应用场景被限制在了用量小、技术不稳定、灵活性需求高的领域，一旦技术成熟且需求放量，终端厂商就会考虑ASIC方案替代FPGA方案来降低成本。但由于FPGA在用量小、技术不稳定及灵活性需求高的领域具有不可替代性，FPGA的市场基础稳固，未来量的增长主要看新技术带来的新周期。 

    国产FPGA厂商产品下游应用场景更偏重消费电子，未来在通信市场的增长值得期待。根据Xilinx的年报，2019财年（财年结日为2019年3月30日）其产品终端应用场景及占比为通信（36%）、工业航空及国防（28%）、数据中心及封测医疗仿真（20%）、汽车广播及消费电子（15%）。而国产FPGA厂商由于产品性能相对落后，在高端民用领域暂时不具有竞争力，但在LED显示、工业等领域出货量较大。随着国内厂商技术突破，未来在通信市场份额的提高将开启国产FPGA厂商增长。 

    全球 5G 浪潮席卷而来，FPGA 量价齐升在即。 

    FPGA是5G基础设施和终端设备的零部件，5G全球部署持续推进，基站、IoT、 终端设备、边缘计算的FPGA用量将显著提升。通信是FPGA下游应用场景中规模最大的分支，根据MRFR的数据，FPGA通信市场规模 2017年达 23.5亿美元， 占整体FPGA应用市场比例超40%，2017-2025年CAGR预计 8%。

    全球5G基础 设施建设进程下，FPGA作为核心零部件，用量也会随之提升，5G应用中，IoT、 终端设备及边缘计算领域的FPGA需求也将增长。未来在通信市场的增长具有确定性。 

    相比较CPU和GPU，通信领域FPGA在I/O 、运算速度及延迟上均具有优势。在5G建设初期，FPGA可以被用于基站天线的收发器中，5G时代Massive MIMO技术让收发通道数从16T16R提高到64T64R甚至128T128R，FPGA可以用于多通道信号波束成形。

    目前业界在FPGA和ASIC方案的选择上具有差异，京信通信等公司采用更加灵活的FPGA方案。 

    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分，左半 部分为中频&基带子系统，包涵Xilinx的Kintex-7 FPGA；右半部分为毫米波收发器射频前端，包涵中频振荡器及电源管理模组等。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时代，FPGA面临价提量升。 

    价提：FPGA主要用在收发器的基带中，5G时代由于通道数的增加，计算复杂度增加，所用FPGA的规模将增加，由于FPGA的定价与片上资源正相关，未来通信领域FPGA单颗成本也将上升，目前基站收发器中的FPGA单价通常在几百 元人民币的范围，未来有望进一步提高。收发器的主要成本和功耗由基带部分贡献，未来技术复杂度将再次推升收发器成本，进而传导到基站AAU价格上升。 

    量增：5G带来的出货量提高来源于两方面：

通信基站数量提高带动FPGA 零部件用量提高。5G初期基站铺设数量环比提高，另一方面由于5G信号衰减较快， 小基站需求量巨大，未来十年有望超1000万座，同比4G时期增长明显。

2. 单基站FPGA用量提高带动FPGA通信市场用量整体提高。由于5G Massive MIMO的高并发处理需求，单基站FPGA用量有望从 4G时期2-3块提高到5G时期4-5块，将带动FPGA整体用量。