东兴晨报

2023年4月17日星期一 【东兴通信】FPGA提供了什么价值？——“FPGA五问五答”系列报告一 （20230417） 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？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。 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？ 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 东兴晨报P1 A股港股市场 指数名称 收盘价 涨跌% 上证指数 3,385.61 1.42 深证成指 11,855.48 0.47 创业板 2,434.44 0.26 中小板 7,815.64 0.21 沪深300 4,149.38 1.4 香港恒生 20,782.45 1.68 国企指数 7,056.16 2.05 A股新股日历（本周网上发行新股） 名称 价格 行业 发行日 中船特气 36.15 电子 20230411 晶升股份 32.52 电子 20230411 中裕科技 12.33 建筑材料 20230411 美利信 32.34 通信 20230412 民士达 6.55 纺织服饰 20230412 荣旗科技 71.88 机械设备 20230413 *价格单位为元/股 A股新股日历（日内上市新股） 名称价格行业上市日 *价格单位为元/股 数据来源：恒生聚源、同花顺、东兴证券研究所 东兴证券股份有限公司 东兴晨报 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。 (分析师：李美贤执业编码：S1480521080004电话：13718969817) 【东兴通信】FPGA和CPU、GPU有什么区别？为什么越来越重要？ ——“FPGA五问五答”系列报告二（20230417） 近年来，诸如TPU、MPU、DPU等的“X”PU们似乎层出不穷，市场经常会对这些新创造出的名词感到困惑：为什么会出现这么多的单元？作为我们FPGA五问五答系列报告二，在这篇报告中，我们进一步回答投资人最常问 的问题之一：FPGA和CPU、GPU有什么区别？为什么越来越重要？我们认为，这个问题不是简单回答他们的区别就可以解决的，因此我们单拎出来解答。 我们认为，众多“X”PU出现的原因，本质上是由于CPU的算力到达瓶颈了，背后是通用计算时代的终结。从发明以来，CPU算力的提升主要依靠两大法宝：一是提高时钟频率，二是增加处理器内核数，但这些方法到现在也遇到 瓶颈了，人们开始放弃使用一个超强的CPU完成所有事情，而是对某些重复的场景，卸载到专用的加速器，以达到新一阶段的降低功耗，提升性能的目的，这就是“XPU”等加速器兴起的原因。同时，自2010年AI兴起，AI模型的训练所需的算力是爆发式的增长，且“加&乘”的本质使得算力要求愈发偏向高并行而不是高串行，因此CPU越来越难以胜任高算力的场景，通用计算时代终结，数据中心走向加速器时代。未来10年，在数据中心高性能计算及AI训练中，CPU这一“主角”的重要性下降，而以往的“配角们”，即GPU、FPGA、TPU、DPU等的加速器的重要性在上升。 FPGA相比CPU的巨大优势在于确定性的低时延，这是架构差异造成的。CPU的利用率越高，处理时延便越大，而FPGA无论利用率大小，其处理时延是稳定的。在汽车和工业这些需要确定低时延的场景，FPGA具有非常大的优势。此外，FPGA相比CPU，具有更高的灵活性。 FPGA相比GPU的优势在于更低的功耗和时延。GPU无法很好地利用片上内存，需要频繁读取片外的DRAM，因此功耗非常高。FPGA可以灵活运用片上存储，因此功耗远低于GPU。FPGA“无批次（Batch-less）“的架构，使其在AI推理中相比GPU具有非常强的时延优势。此外，GPU的接口单一，而FPGA在接口灵活性上具有无可比拟的优势，特别适合工业场景。 为什么FPGA是战略芯片？我们认为，未来科技发展有两个领域处于战略地位：一是AI，二是太空。AI代表人类更高级别的生产力工具，而太空是可供人类开发探索的广阔而未知领域。FPGA凭借其架构带来的时延和功耗优势，在AI推理中具有非常大的优势。同样，FPGA独特的优势使其在航空航天领 域有非常广泛的应用。 目前，我们看到太空活动发生新变化，背后是太空不断增长的算力需求。变化1：地球观测、探火活动在增加；变化2：寻求扩大AI在太空的应用，以及宽带卫星通信的快速增长，提高了算力要求；变化3：航天级器件的代际差在缩小，处理能力越来越接近目前最高水平。当今全球地缘政治紧张的背景下，各国自有卫星星座需求激增，太空活动进入新活跃期。 FPGA在航天领域为什么更具有优势？主要有两点原因：1）FPGA可以降低项目的时间和金钱成本。航空航天存在着小批量多品种的应用，本质是一个长尾的市场，能够适配的ASSP较少，而如果专门设计一颗ASIC成本则会非常高，时间也会变得非常长，由此造成的时间成本不是线性的。FPGA“万能”的特点，可以节省ASIC的NRE成本，设计周期也大幅缩短，避免重复的可靠性认证，加快项目进展；2）FPGA动态可重构的特点可以降低在轨错误。太空项目本质是风险厌恶的，一旦发生错误，可能导致数亿美元甚至生命的损失。航天级的FPGA可以通过定期刷新回读、动态重构的方式，避免或者减轻宇宙射线对自身造成的破坏，是其它器件所无法做到的。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期 (分析师：李美贤执业编码：S1480521080004电话：13718969817) 重要公司资讯 1.贵州茅台：经公司初步核算，2023年第一季度，公司实现营业总收入391.6亿元左右，同比增长18%左右；实现归属于上市公司股东的净利润205.2亿元左右，同比增长19%左右。（资料来源：同花顺） 2.宁德时代：钠离子电池将首发落地奇瑞车型，并且将联合奇瑞推出电池品牌“ENER-Q”。（资料来源：同花顺） 3.福莱特：公司公告，晶科能源及其子公司计划于2024年-2025年向福莱特玻璃集团股份有限公司及子公司采购约77GW光伏组件用光伏玻璃。公司预计将销售光伏玻璃约4.895亿平方米，按当前市场价格测算，预 计销售总金额约105.24亿元人民币(含税)。（资料来源：同花顺）