电子：“FPGA五问五答”系列报告一-FPGA提供了什么价值？

行业研究 2023年4月17日 行业报告 电子 看好/维持 FPGA提供了什么价值？ ——“FPGA五问五答”系列报告一 东 分析师 李美贤电话：13718969817邮箱limx_yjs@dxzq.net.cn 执业证书编号：S1480521080004 兴 证券 份 股投资摘要： FPGA（可编程逻辑门阵列）又称“万能芯片”，美国禁运后，作为最“卡脖子”的芯片之一而家喻户晓。虽然全球市场规模只 有 限有80亿美元，FPGA这个不大不小的市场却撑起了龙头赛灵思近500亿美元的市值（英特尔平均市值在2000亿美元上下，所 公在市场规模是FPGA的10倍）。目前，全球90%的市场份额由美国FPGA厂商垄断，国产替代必要性不言而明。美国禁运后，国司产FPGA厂商迎来发展的历史性机遇。FPGA究竟有什么价值？什么在驱动它的未来的成长？龙头为什么能有这么高的市场份额？证护城河在哪里？本土厂商又要如何培育自己的竞争优势？针对这些问题，我们复盘了FPGA三大厂商：赛灵思、Altera和券Lattice的发展历程，总结出了核心规律，并在FPGA五问五答系列报告中逐一为投资者解答。 研 究作为我们FPGA五问五答第一篇，在这篇报告中，我们首先回答一个最关键的问题——FPGA提供了什么价值？ 报为了回答这个问题，我们仔细研究了FPGA和其他处理器的架构演变和历史，回答如下：FPGA无可比拟的灵活性，以及确定性 告的低时延优势，是FPGA难以被替代的原因，也是FPGA为客户提供的独一无二的价值。 FPGA是什么？在半导体产业链中的位置？芯片分为模拟芯片和数字芯片，数字芯片负责处理数字信号，分为处理器、逻辑、存储三大类。FPGA是可编程的逻辑芯片，和其它逻辑芯片的不同之处在于，用户可以随时定义其硬件功能。虽然FPGA市场仅 占逻辑芯片的5%，市场规模仅有微处理器的大约十分之一，但在许多领域是不可或缺的。 FPGA为什么在历史上脱颖而出？PLD诞生的动因来自于ASIC和ASSP的不足，通过可编程来满足降低芯片设计风险的需求。 FPGA并不是第一个被创造出来的可编程逻辑器件，但由于FPGA的架构弥补了PLD和ASIC/ASSP的缺环，能够满足下游不断增长的容量和速度的需求，在发明后的10年开始飞速替代SPLD和CPLD，成为独占鳌头的可编程逻辑器件。 FPGA如何做到“万能”？数字电路有两大类：组合电路和时序电路，时序电路即“组合电路+存储”。所有组合电路都有对应 的真值表，FPGA的可编程逻辑块中的LUT，本质上是一个对应真值表输出的查找表，可以完成任意组合电路的功能。通过改变LUT4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器等存储单元，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。 FPGA独一无二的价值在哪里？1）灵活性高，适合高速迭代的场景（能“经常改”）：FPGA可以实现任何电路功能，其耗时 甚至不超过一秒，修改不限次数，这一特性尤其适合以下4种场景：标准/协议/算法经常更改的行业，快速迭代、成本敏感的行业，小批量的行业，以及反复修改验证的设计；2）并行性好，适合要求低时延和大量并行计算的场景（“算得快”）：FPGA内部数十万个CLB可以同时独立工作，实现大规模的并行计算耗时极短，由于不存在线程或者资源冲突的问题，FPGA的时延是确定的低时延，特别适合低时延的场景。 什么是“好”的FPGA？一般来说，FPGA的制程越先进、逻辑单元数越多、固化功能越复杂，能构造的电路就越大型、越复 杂，FPGA越“好”。尽管如此，一块“好”的FPGA并不一定是能力上的最优，而是最贴近使用者的需求，因此，龙头对市场做了非常高的细分。以龙头赛灵思为例，其拥有高端的Virtex，性价比的Kintex，低容量的Spartan，超低功耗的CoolRunner，再加上温度、速度等级等的的区别，仅7系产品就有高达1000+的料号，产品矩阵非常完备。 特别地，我们回答了市场对于宇航级FPGA的疑惑： 在卡门线以上（海拔高度100km）运行的电子系统需要使用宇航级FPGA，由于外太空的航天器接受的辐射量是地面的百倍甚至千倍以上，严重的可致器件损坏，导致在轨任务的失败，航天器需要具备电路级的抗辐射能力。FPGA的抗辐射能力和航行高度挂钩：在LEO高度，使用耐辐射（RadiationTolerent）FPGA即可；进入MEO或者GEO高度，需要使用辐 射加固（RadiationHardened）FPGA。宇航级FPGA主要考虑对总剂量效应和单粒子事件的防护能力，具体指标有TID耐性、SEL阈值、SEFI发生率和SEU发生率。宇航级FPGA需要额外使用许多技术，制造的成本高，做到辐射加固级更是需要从设计到制造封测的一系列流程改变，因此价格通常非常昂贵，目前，全球有能力提供宇航级FPGA公司屈指可数。过去，星载FPGA处理能力落后于商业级10-15年，现在已经和商业级接近，背后是不断增长的提升卫星处理能力的需求。 为什么FPGA这么难？我们认为，一是产品定义上，FPGA设计者必须平衡市场上各个需求，难度在于如何平衡可编程功能和固化功能，需要对客户需求有非常好的了解。我们回顾了Altera历史上在Excalibur的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。二是从技术上，体现在FPGA必须跟上最新的制程。制程领先是FPGA市场份额最直接的决定因素。从Altera在40nm对赛灵思的赶超，可以看出制程领先对FPGA的重要性。FPGA设计不是简单地堆叠逻辑单元，如何排布逻辑单元和各固化单元， 来平衡性能提升和面积、时延、功耗之间的矛盾，是非常重要的问题，需要设计者考虑架构的先进性和针对性。三是FPGA硬件和设计工具绑定的特点，使得EDA和硬件必须做到并重开发。FPGA软件最核心的地方在于布局布线，虽然仿真等工作已经 可以由第三方EDA完成，但由于架构不公开，并不存在通用的FPGA布局布线工具，历史上赛灵思和Altera都曾与第三方的EDA公司合作优化仿真以及综合的流程，但布局布线从来只在自家的EDA上进行。因此，FPGA的容量每上一个台阶，就必须更新配套的“映射-包装-布局布线”三大算法。这种硬件和软件高绑定的特点，使得FPGA新进厂商在攻克了硬件的诸多技术难点外，还要完成配套软件和复杂的工具包开发，这是FPGA的设计难于其它类型芯片的原因，亦是FPGA的进入壁垒如此之高的原因之一。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期。 P3 东兴证券深度报告 FPGA提供了什么价值？——“FPGA五问五答”系列报告一 目录 1.FPGA在半导体中的位置？如何在历史迭代中脱颖而出？5 2.FPGA如何工作？8 3.FPGA特点是能“经常改”和“算得快”14 4.什么是“好”的FPGA？16 5.设计“好”的FPGA，难点在哪里？26 风险提示31 插图目录 图1：FPGA的特征在于硬件可编程5 图2：FPGA实物图（从左到右依次为Xilinx、Altera、Altera、Actel的FPGA/CPLD芯片）5 图3：全球半导体市场图谱（2022），FPGA属于逻辑芯片中的可编程逻辑器件6 图4：FPGA发明初衷是弥补当时PLD和ASIC之间的缺环7 图5：自1985年发明以来，FPGA在容量和集成度上不断进化7 图6：SPLD大多基于与阵列和或阵列，缺点在于在容量扩展时系统极易变得冗余8 图7：FPGA由可编程逻辑块、可编程连线、及可编程IO三部分构成，最重要的“积木”是LUT和寄存器9 图8：LUT的SRAM的对应真值表的输出，通过配置SRAM，LUT可以实现不同的组合电路功能10 图9：FPGA厂商的EDA最主要负责将用户描述的电路映射到可编程逻辑块上，并在布局布线上满足时序约束11 图10：可编程IO负责FPGA对外交互，同样是非常重要的部分（以赛灵思Virtex-7为例）12 图11：赛灵思7系FPGA的架构ASMBL（第四代），典型特点是以列排布CLB、BRAM、DSP等的资源13 图12：FPGA灵活性高、并行性好的特点，使其特别适合小批量、时延要求低、变化快的场景14 图13：FPGA产品大多以“产品组合+制程”的形式命名（下图以赛灵思FPGA产品矩阵为例）17 图14：90年代，FPGA厂商在门级规模数上展开竞争，巨头赛灵思和Altera均在90年代末完成百万门级的跨越18 图15：赛灵思和Altera的产品矩阵，高中低端市场覆盖完整20 图16：FPGA的功耗拆分，从硬件上降功耗最为有效22 图17：Lattice的FPGACrossLink嵌入了性能优异的MIPI硬核，在安防行业特别受欢迎22 图18：Lattice在低功耗上的优势明显，在低容量做到功耗比竞品低70%-75%22 图19：外太空环境需要使用宇航级FPGA，其抗辐射能力和航行高度直接挂钩23 图20：宇宙射线导致的单粒子效应是航天器发生故障的最重要原因24 图21：离地球越远，FPGA的抗辐射能力要求越高，使用到的辐射加固技术就越多25 图22：Altera曾经因为Excalibur丢失了大部分市场份额27 图23：FPGA在最新制程的推出速度，基本可以预测2年后的市场份额28 图24：FPGA的架构设计需要考虑非常多的因素，赛灵思等巨头与学界紧密合作28 图25：FPGA和软件绑定的特点，使得EDA和硬件同等重要29 图26：全球前三FPGA公司的研发费率常年保持20%以上30 图27：除了FPGA和配套的EDA，如今的FPGA厂商还提供了板级的解决方案，以实现客户快速开发的目的30 P4 东兴证券深度报告 FPGA提供了什么价值？——“FPGA五问五答”系列报告一 表格目录 表1：与其它PLD不同，FPGA主要基于SRAM技术，使得技术节点总能保持最新8 表2：FPGA的本质是高度标准化的逻辑芯片，相比ASIC和ASSP，PLD的突出优点在于灵活性高15 表3：评价FPGA性能的指标可分为逻辑资源、IO和固化单元的指标，主要考虑制程、逻辑单元数16 表4：FPGA高中低端市场的需求来源，各市场定位性能指标典型值、下游需求及龙头产品组合21 P5 东兴证券深度报告 FPGA提供了什么价值？——“FPGA五问五答”系列报告一 1.FPGA在半导体中的位置？如何在历史迭代中脱颖而出？ FPGA是一种特殊的逻辑芯片，和其它逻辑芯片的不同之处在于，用户可以随时定义其硬件功能。FPGA又称现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGateArray），在1985年由赛灵思创始人RossFreeman发明， 是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的逻辑芯片。FPGA的命名反映了诞生时的特征： 1）现场可编程（Field-Programmable）：在80年代，芯片的配置大多数保存在掩膜的ROM或者PROM里，更改芯片功能需要将芯片拆下返回晶圆厂修改，即“Mask-programmable”。而FPGA可以使得客户在拿到芯片后，通过本地或者远程配置FPGA，即在使用的“现场（Field）”实现。可编程是指FPGA底层逻 辑运算单元的连线及逻辑布局没有固化，因此可以实现任意数字逻辑功能。虽然CPU、GPU都可以实现编程，但这种可编程是指改变其寄存器的配置，用户并不能改变其硬件功能。而FPGA可编程的是硬件可编程，内部的逻辑块、连线、I/O等资源都可以由用户配置，使得同一片FPGA既可以在5G的基站实现信道编码的功能，也可以在重新配置后放在数控机床中实现电机控制的功能。因此，FPGA又被称作“万能”芯片。 2）门阵列（GateArray）：FPGA被认为是门（Gate）的“阵列（Array）”，芯片就像一片空白画布一样可以被配置成实现不同功能的电路。同时，门阵列亦是FPGA诞生时对标的竞争产品，是一种可定制的ASIC， 但只有布线是可改的，而固化的晶体管是预先放置好的无法更改，而FPGA是逻辑单元和布线均可反复更改。门