FPGA：市场规模高速增长，国产化替代快速推进

行业整体情况分析 国内市场规模增速快于国际市场：Frost&Sullivan数据显示，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）国内市场规模从2018年的115.6亿元增长到2021年的176.8亿元，3年CAGR为15.21%；海外市场规模3年CAGR为4.98%，国内市场增速明显高于海外。统计FPGA国际龙头企业赛灵思与莱迪思的营收，中国区市场营收从2018年的8.83亿美元增长到2021年的13.01亿美元，3年CAGR为13.79%；而海外市场营收3年CAGR仅为4.75%；表明，FPGA领域中国市场依然最有活力。 中国市场规模有望保持高增长：Frost&Sullivan数据显示，FPGA国内市场规模有望从2022年的208.8亿元增长到2025年的332.2亿元，3年CAGR为16.74%。市场占比可持续保持30%以上的细分板块包括工业领域及通信，市场规模未来3年CAGR分别为15.63%及17.43%。 国产化替代快速推进：统计国内3家FPGA相关上市公司相关板块的营收，从2018年的7.98亿元增长至2021年的44.34亿元，3年CAGR为77.14%。国内企业的FPGA相关业务营收增速快于板块的整体增速，表明FPGA国产化替代正在快速推进。 中低端市场产品种类丰富，高端市场产品持续研发中：中低端FPGA方面，国产产品的逻辑单元容量从9k到174K不等，产品种类较为丰富，表明国内厂家已经掌握了相关技术，客户对于中低端FPGA产品的需求可以被满足； 高端FPGA方面，国产厂商中，仅复旦微电的亿门级FPGA系列等少数芯片逻辑单元可达约700K。但随着研发投入的增加，国内厂商有望掌握 14/16nm 工艺制程的10亿门级产品。 行业前瞻及投资看点 FPGA国产化替代正在快速进行；国内市场，Frost&Sullivan数据显示，以出货量统计，2019年国产厂商份额占比不足15%，成长空间广阔；随着高端FPGA芯片的研发，国产化替代或将加速进行。 投资建议 我们看好FPGA领域未来发展，关注的公司包括：紫光国微、复旦微电、安路科技。 风险提示 系统性风险；行业需求不及预期风险；产品研发进度不及预期风险；上游厂商供货不及预期风险；行业竞争加剧风险。 投资聚焦 研究背景 从国内军用市场来看，我国国防预算从2010年的0.53万亿元增长到2022年的1.45万亿元，为武器装备信息化建设提供经济基础。自主可控背景下，装备的国产化率有望提升，国内FPGA厂商也有望受益。 从国内民用市场来看，由于FPGA灵活性高、开发时间短，其应用场景较为广泛。未来随着通信市场的扩张，以及工业控制等领域的持续发力，市场规模有望从2022年的208.8亿元增长到2025年的332.2亿元，3年CAGR为16.74%。 不同于市场的观点 市场认为，军品方面，FPGA在武器装备方面应用范围较小。我们认为，在弹载方面，FPGA可进行数据的接收和传递；在机载方面，FPGA可完成数据采集、产生各类信号、计算当前飞机相对本地接收天线的方位和距离等功能；此外，FPGA还可以内置加密解密电路，通过对配置数据进行不可逆加密，从而加密、解密数据。 市场认为，民品方面，国产FPGA芯片已可以基本满足国内市场的大部分需求。 我们认为，中低端FPGA方面，国产产品的逻辑单元容量从9k到174K不等，产品种类较为丰富，客户需求可以被满足；高端国产FPGA中，仅复旦微电的亿门级FPGA系列等少数芯片逻辑单元可达约700K，而国际龙头企业赛灵思、阿尔特拉均有1KK以上容量的逻辑芯片，高端FPGA市场还有很大发展空间。 核心结论 国内企业的FPGA相关业务营收3年CAGR为77.14%，高于板块的整体增速15.21%，表明国产化替代正在快速进行；国内军用市场，随着装备信息化建设，以及知识产权自主可控的推进，国内FPGA厂商有望受益；国内民用市场，以出货量统计，2019年国产厂商份额占比不足15%，成长空间广阔；国产FPGA的逻辑单元容量，从9k到174K的产品种类较为丰富，随着研发费用的大量投入，高端FPGA芯片研发持续进行，国产化替代未来或将加速进行。 1FPGA：“万能芯片”，复杂数字硬件电路设计的首选 1.1产品结构复杂，特点鲜明 FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是一种可通过重新编程来实现用户所需逻辑电路的半导体器件。FPGA在专用ASIC的基础上发展而来，不但继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性等优点，同时克服了一般ASIC设计周期长、投资大、灵活性差等缺点，是复杂数字硬件电路设计的首选。 图表1：集成电路产品结构树 FPGA主要由三部分组成：逻辑部分（逻辑块，Logic Block，简称LB）、输入输出部分（I/O块，Input/Output Block，简称IOB）、布线部分（包含：布线通道、开关块（Switch Block，简称SB）、连接块（Connection Block，CB）等）。虽然这三部分就可以实现任意逻辑电路，但实际中往往还需要一些其他电路，如时钟树、配置/扫描链（configuration/scan chain）、测试电路等。此外，很多商用FPGA还包含处理器、块存储器、乘法器等固定功能的硬核电路。 图表2：赛灵思Virtex UltraScale+ FPGA 图表3：典型FPGA组成示意图 FPGA中的逻辑部分，负责实现逻辑电路，实现方式有多种（乘积表、查找表和数据选择器等），一般由可以实现任意逻辑电路的可编程部分触发器（Flip-Flop，FF）等数据存储电路和数据选择器组成；输入输出部分，通过连接I/O引脚和内部布线，对外部进行信号输入输出，一般包含上拉、下拉、输入/输出的方向和极性、转换速率（slew rate）、开漏（open drain）等控制电路，以及触发器等数据存储电路，通常支持十余种规格输入/输出；布线部分，主要负责逻辑块相互之间以及逻辑块与I/O之间的连接，除了岛型构造外，还有多层构造、H-tree构造等多种类型；其他部分，例如对逻辑块、I/O块、开关块和连接块进行控制的配置存储单元以及配置链，以及时钟网络、扫描路径等。 图表4：FPGA各组成部分 FPGA设计流程是将开发者输入的需求、目标性能、约束条件、代码、框图、电路图等描述加上各种参数设定，使开发对象具象化的过程。一般的，基于HDL进行RTL描述的设计，大致流程包括：对RTL描述进行逻辑综合、技术映射、布局布线、生成配置，最后写入FPGA进行系统验证。 图表5：FPGA研发流程 1.2始于20世纪70年代，发展历程长 第一代（20世纪70年代，出现FPLA、PAL）： 1975年西格妮蒂克公司发布了一种基于熔断丝的可编程FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编辑逻辑阵列）。1978年MMI公司（即现在的莱迪思公司）将其简化并采用双极性晶体管制程，开发了高速PAL，并最终得到了普及。 第二代（20世纪80年代，出现GAL、EPLD、FPGA） 20世纪80年代前期，各公司开始销售基于CMOS EPROM/EEPROM的PLD，产品往往功耗低且可重新编程，同时出现了最早将FPGA产品化的赛灵思（Xilinx，1984年成立）公司。80年代后期，随着半导体集成度和速度的提升，出现了无法擦写的反熔丝FPGA。 第三代（20世纪90年代，FPGA大规模发展） 20世纪90年代，赛灵思和阿尔特拉分别改进扩展了XC400和FLEX架构，使得FPGA的逻辑电路规模（门数）快速增长。90年代前期，门数达到了数千至数万门，后期则发展到了数万至数十万门，并且在集成度上与CPLD拉开差距，性能上与ASIC等产品差距逐渐缩小，成功进入半定制产品市场；系统化与大规模化，也导致搭载MPU和DSP等硬核模块成为必然趋势。1997年，逻辑规模达25万门，主频达到50~100MHz，1999年，赛灵思的APEX20K将集成度提高至100万门级。 第四代（21世纪00年代，百万门级和系统LSI化） 2000年之后，FPGA呈现系统LSI化。阿尔特拉推出了第一款带有硬核处理器的FPGA产品Excalibur，其上集成了ARM处理器和FPGA电路。同时，产品的外部接口也开始提升，FPGA开始应用SERDES（Serialixer-Deserializer，串行器-解压器）电路和LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低电压差分信号），实现高速串行通信接口。产品快速迭代，赛灵思公司的高端FPGA产品VirtexⅡpro（2002年， 130nm ）及后续Stratix-4（2004年， 90nm ）、Stratix-5（2006年， 65nm ）和Stratix-6（2009年， 40nm ）大约每两年升级一次。 第五代（21世纪10年代，制程发展、行业洗牌） 2010年开始，赛灵思和阿尔特拉都发布了 28nm 的FPGA并从2011年开始供货，并且产品除了高低端外，还增加了中端产品。例如，赛灵思全系列（高端为Virtex-7，中端为Kintex-7，低端Artix-7）全采用 28nm 制造工艺，提高性能的同时还降低了功耗。同时，行业垄断化加剧，赛灵思和阿尔特拉占据市场八成的份额，仅剩的两成中的大部分又被莱迪思和Actel瓜分。 图表6：FPGA发展历程 1.3“万能芯片”应用场景多 民用方面，FPGA在通讯、工业控制、人工智能等方面应用广泛。通信领域，在通讯协议经常变化和升级的情况下，市场很难快速推出成熟的5G的ASIC芯片，得益于可编程的灵活性以及低延时性，FPGA具有独特优势。工业控制领域，FPGA大量应用在视频处理、图像处理、数控机床等领域实现信号控制和运算加速功能。人工智能领域，FPGA会与CPU搭配，把CPU的部分数据运算卸载至FPGA，将部分需要实时处理/加速定制化的计算交由FPGA执行，起到CPU加速卡的作用。 图表7：使用FPGA芯片的显示器示意图 图表8：FPGA+DSP三模卫星导航接收机样机实物 由于FPGA具有集成度高、设计周期短、投资小、灵活性好的特点，因此在军工领域的应用也较为广泛。在弹载方面，FPGA可进行数据的接收和传递；在机载方面，FPGA可完成数据采集、产生各类信号、计算当前飞机相对本地接收天线的方位和距离、与DSP实时交换数据、上传报表等功能；在军用门禁控制类方面，可用于人员的指纹识别等工作；此外，FPGA还可以内置加密解密电路，通过对配置数据进行不可逆加密，从而加密、解密数据。 图表9：弹载FPGA硬件系统示意图 图表10：使用FPGA进行加密保护示意图 资产运营模式，使公司能够根据自身情况及市场规则，独立自主开展经营活动，将产品研发能力和产业链整合能力最大化体现；但采用这种模式，其产能容易受到晶圆厂和封装测试厂商产能限制，盈利也容易受到晶圆市场价格和加工费用上涨而产生波动。 图表11：半导体产业链 现在国内FPGA公司主要合作的晶圆代工厂包括中芯国际、上海华虹、台积电等，封装测试厂包括华天科技、长电科技等；此外，部分公司为加快研发速度、缩短设计周期，会向IP核供应商购买IP核授权，向EDA工具供应商采购EDA设计工具。 图表12：2020年Q1全球晶圆代工厂市场占有率 图表13：2020年全球前十大封测厂市场占有率 产业技术壁垒高 研发费用方面，2021年，行业龙头赛灵思以9.05亿美元（约合人民币60亿元）占有绝对优势；从研发费用占营收比例来看，国内企业占比均较高，其中安路科技占比最高，为35.90%，其次为复旦微电，占比为26.84%，最低的是紫光国微，占比为11.83%。国内外企业研发费用占营收比例均较高，表明行业具有较强的技术壁垒。 图表14：各