全球范围内FPGA产业的兴起与发展_复旦微电子 fpga

​本文来自“FPGA专题：万能芯片点燃新动力，国产替代未来可期（2023）”，全球范围内FPGA产业的兴起与发展可分为两个阶段。

（1）第一阶段是20世纪80年代开始的创业潮与行业垄断化。Lattice、Altera、Xilinx和Actel在1983~1985年陆续成立，并迅速成长为FPGA行业四大龙头；2010年后Xilinx和Altera已经占据80%以上的市场份额，剩余份额则大部分被Lattice和Actel瓜分。

（2）第二阶段是从2010年开始、以大型并购案为特点的行业洗牌。随着半导体行业对FPGA的重视加大，Microchip、Intel和AMD等半导体龙头纷纷下场收购与整合FPGA业务，尤其是Xilinx和Altera分别与母公司AMD和Intel形成CPU+FPGA的集合优势，战略部署数据中心应用。中国FPGA产业起步和发展较晚。复旦微电子自2004年开始进行FPGA研发，布局相对较早，安路科技和紫光同创也于2011和2013年相继成立。 ​

​国际龙头厂商产品矩阵完整性高，覆盖面广。经过数十年的发展，已形成全面覆盖从数十K至数千K个逻辑单元量级、从低端到高端的全系列产品线，已可对工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等主要下游领域形成全面覆盖。 ​

​ AMD（Xilinx）FPGA相关产品矩阵主要包括：四大FPGA产品系列（VIRTEX、KINTEX、ARTIX、SPARTAN），以及集成度更高的两大自适应SoC（Adaptive SoC）系列（ZYNQ、VERSAL）。 ​

（1）从芯片制程来看，主要有UltraScale+（16nm）、UltraScale（20nm）、7系列（28nm）和6系列（45nm）四大类，VERSAL则是整体升级为7nm制程。

​（2）从芯片架构来看，FPGA单芯片向更先进工艺、更高速电路结构、复杂异构SoC系统发展，AMD（Xilinx）的VERSAL系列产品中集成了PCIe、Ethernet通信协议以及AI引擎、NoC架构等。 ​

（3）从产品价格来看，随着产品定位从低端走向高端，FPGA容量等指标不断提升，通信架构逐渐升级，对应开发板的价格也从数百美元逐步增加到一万多美元。

​（4）从应用领域来看，数据中心等高端应用所适用的FPGA芯片大多为高端FPGA产品线，仅有少部分中高端FPGA也能够满足数据中心网络加速需求。 ​

观点#1：在高端FPGA硬件水平上，国产厂商与国际龙头尚存在较大差距

首先在制造工艺方面，AMD（Xilinx）Versal系列已经进入7nm制程工艺，Intel（Altera）与之对标的Agilex系列也已采用Intel 7制程工艺。国产厂商目前尚处于28nm的技术节点，且在28nm产品的推出节点上落后于两大国际龙头近十年。作为FPGA芯片性能的基础性指标，芯片制程仍然是国产替代突围的关键。

​其次是硬件架构方面，国际龙头已经开始在高端产品中使用先进的NoC片上通信网络架构以及兼顾内存容量与带宽的HBM存储架构，AMD（Xilinx）更是开创ACAP的新型异构模式，因此架构创新与升级也是国产厂商未来发展需要攻克的难关。 ​

在应用领域方面，行业龙头企业AMD（Xilinx）、Intel（Altera）的产品已可对工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等主要下游领域形成全面覆盖，国产厂商现阶段的产品线尚有不足。与硬件水平的问题殊途同归，国产FPGA首先需要突破先进的硬件技术，才能够在高端应用领域占有一席之地，而目前国产FPGA尚处于中低端市场，自主可控道阻且长。

AMD、Intel双寡头主导市场，中端市场国产化机遇显现。全球市场竞争格局稳定，国际龙头占据绝对市场份额。根据Frost&Sullivan数据，2019年全球前四大FPGA厂商合计占据94.4%的市场份额，其中，AMD（Xilinx）、Intel（Altera）分别占据51.7%、33.7%的绝对份额，具有难以撼动的市场地位。

中国市场竞争格局主要呈现两大特点：（1）国产FPGA厂商开始崛起。近年来，随着国产替代趋势渐渐进入FPGA市场，国产FPGA厂商已占有一席之地。

测算，主要国产FPGA设计公司合计营业收入自2018年的2亿元增长至2022年的33亿元，2022年全球市占率已超过5%（按本文2.3测算口径），国产化进程大步推进。（2）国际龙头厂商在中国市场的占有率略低于全球市场（出货量口径）。

2019年，AMD（Xilinx）、Intel（Altera）在中国市场的份额为36.6%/25.3%（出货量口径），低于其在全球市场51.7%/33.7%的份额。

从需求侧看：中国FPGA市场目前以容量<500K、制程在 28-90nm 的产品为主，中低端市场空间更为广阔。根据 Frost&Sullivan 数据，（1）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。500K 以下逻辑单元的 FPGA 芯片合计占有 69.9%的市场份额（2019 年中国市场，销售额口径）。

（2）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中63.3%的份额（2019年中国市场，销售额口径）。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。

从供给侧看：国际龙头对中端FPGA投入放缓，中端市场迎来机遇。2022年9月，AMD宣布Xilinx 7系列产品的生命周期将至少延长至2035年，这意味着在中端FPGA领域，AMD的战略是维持旧有市场，而非增加投入。这为原本在低端市场发展的FPGA厂商带来机遇。

观点#2：国产厂商渗透率不断提升，中低端市场带来国产替代强大驱动力

从市场层面看：FPGA供需两侧为国产替代营造有利格局，国产化已初显成效。国内FPGA市场对中低端产品需求旺盛，国产FPGA可触达市场空间依然广阔。FPGA龙头厂商被CPU龙头收购，未来战略向母公司数据中心相关业务倾斜，国产FPGA获得进入中端市场的机遇和空间。从公司层面看：

（1）国产FPGA已形成28nm产品系列，进军更先进制程。复旦微于2018年率先推出28nm亿门级FPGA，安路科技与紫光同创于2020年先后来到28nm节点。各公司在更先进制程均已进行多年研发与积累，剑指国产FPGA尚未触及的高端市场。

​（2）新兴领域积极布局，寻求更大市场空间。安路科技积极开拓汽车电子、数据中心、运算加速等新兴市场，复旦微新一代配置有APU、GPU、VPU、eFPGA、AI引擎的异构智能PSoC产品——FPAI也成功发布，紫光同创第二代面向人工智能、机器视觉等领域的SoPC已经启动研发。FPGA行业广阔的市场空间仍将持续驱动国产FPGA厂商加速成长。 ​

在于小型FPGA产品的市场基础扎实，在工业控制、LED等行业出货量较大。复旦微FPGA产品主要应用于高可靠等特定领域，毛利率水平普遍较高。紫光同创背靠紫光集团，与长江存储、紫光展锐、新华三等同属一系，在5G通信行业上下游产业链进行了布局，拥有较强的融资能力和市场运作能力。

通过将产品线与营收体量对比来看，先进制程对FPGA厂商营收带动明显。复旦微进入市场较早，2018年其FPGA营收显著高于安路科技、紫光同创。随着2020年安路科技与紫光同创相继推出28nm新制程产品，营收体量快速成长，2019-2022年营收CAGR分别达到104%、145%，略快于复旦微71%的CAGR增速。

​海外FPGA厂商已建立成熟的EDA软件生态环境。AMD（Xilinx）研发的Vitis、Vivado以及Vitis AI设计工具可以帮助AI科学家、应用与算法工程师、嵌入式软件开发人员以及传统硬件开发人员等所有类型的开发人员使用AMD自适应计算解决方案。Intel（Altera）Quartus Prime软件包含从设计输入和合成到优化、验证和模拟的所有步骤，另有Questa等多款其他软件，覆盖FPGA、CPLD和SoC FPGA的完整开发工具。Lattice也具有Diamond、Radiant、Propel等设计工具，提供专为Lattice器件而优化的设计流程。 ​

​国产FPGA厂商亦不落下风，研发投入占比较大。紫光同创Pango DesignSuite软件开发工具是一款拥有国产自主知识产权的大规模FPGA开发软件，可以支持千万门级FPGA器件的设计开发。复旦微也已具备全流程自主知识产权FPGA配套EDA工具ProciseTM。安路科技TangDynasty、FutureDynasty是其自主开发的FPGA、FPSoC集成开发环境，其中FutureDynasty可以实现RISC-V工程的编译与调试，根据其招股书披露数据，2018-2021H1，FPGA及FPSoC软件研发相关投入分别占总研发投入的25%/30%/26%/19%，软件工具的研发亦成为FPGA公司研发投入的重要组成部分。 ​

审核编辑：汤梓红