电子：“FPGA五问五答”系列报告三-FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？

行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 2023年12月25日 行业报告 电子 看好/维持 FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？ 分析师 李美贤电话：13718969817邮箱limx_yjs@dxzq.net.cn 执业证书编号：S1480521080004 ——“FPGA五问五答”系列报告三 投资摘要： FPGA目前是一个全球80亿+美元的市场，28年增长至接近200亿美元（CAGR15%+），由中国市场引领增长。当前，中国FPGA 市场规模约为16亿美元，预计28年规模约为45亿美元，复合增速18%，高于全球其他地区。 在我们的FPGA五问五答系列报告一和二中，我们指出FPGA无可比拟的灵活性，以及确定性的低时延优势，是FPGA为客户提供的独一无二的价值。作为本系列第三篇报告，我们将重点回答同样是投资人经常问及的问题：FPGA在替代什么？未来是什么因素支撑FPGA的成长？FPGA在每个下游都用在哪里？FPGA的国产替代空间有多大？ 复盘1984-2022，FPGA是怎么成长的？自从1984年发明以来到90年代之前，受限于当时的晶圆制造的技术，价格昂贵的FPGA一直只在胶合逻辑领域使用。直到90年代初，FPGA突破了门级数的限制，才开始脱离粘合逻辑的场景，逐步开始替代ASIC。1995-2000年，FPGA扩展到通信和网络下游，获得广泛的无线基站和数通网络设备的订单。进入00年后，FPGA从高端的通信市场下沉至低成本的消费电子市场，小容量的FPGA对CPLD和低成本ASIC市场、以及高性能FPGA对DSP的替代，支撑了FPGA市场2000-2010年的成长。2010年后，随着以AlexNet为代表的的神经网络模型问世，FPGA在人工智能、加速计算找到新方向和成长逻辑，AI成为FPGA龙头赛灵思增速最快的下游。 FPGA在低时延处理拥有巨大的优势。CPU擅长复杂的控制，在高并行计算中，FPGA的时延优势更突出。FPGA相比CPU的时延优势来自于以下三个方面：1）FPGA是硬件编程电路，无需指令集，减少了CPU的取指、译码等步骤耗费的时间；2）高并行的架构，数十万个CLB可以同步执行；3）避免了CPU在分支预测、乱序执行等模块上耗费的时间。 FPGA未来增长的驱动力？电信、数据中心&AI、国防&航空航天、汽车四大下游，愈发增长的低时延处理和高灵活的变化场景驱动FPGA成长。通信是FPGA最重要的市场，主要用在无线网络、有线通信、原型验证；在汽车领域，FPGA主要用于ADAS的传感器融合领域，激光雷达信号处理主芯片，配合SoC完成座舱域信号桥接，以及车身的电机控制，未来汽车低时延和高度灵活的处理需求正在不断提升对FPGA的需求；工业领域不断提升的精确控制需求正在驱动FPGA的成长，FPGA可以完成精确、无抖动的伺服驱动，实时的工业相机图像处理，亦常用于仪器仪表的信号处理，激光加工领域的电控系统，此外，FPGA高灵活度可以适应工业通信中不断演进的TSN标准。在半导体仿真领域，当代最大的FPGA往往用于Nvidia的GPU等超大型芯片的原型设计和验证；FPGA在医疗领域常用于医疗影像的实时处理，例如超声、CT、MR等设备的实时高清成像，增长来自于医 疗影像的高清化对实时处理能力的需求。LED显示和桥接是FPGA在消费电子领域密集使用到的场景，随着视频清晰度和实时传输的要求提升，多媒体&广播对FPGA的需求在提升。FPGA在国防和航空航天有着非常普遍的应用，常用于导弹和雷达，民航、无人机/反无人机、卫星以及火星等太空探索项目，未来增长主要驱动力来自于精确打击武器和卫星通信的发展。在数据中心&AI，FPGA的增长驱动力主要来自于低时延推理的需求。FPGA的高并行、低时延、低功耗的特性非常适合需要实时推理的场景，例如，使用Zynq则可实现压缩后的YOLOv7模型，在30帧率下实现15ms的低时延推理。除此之外，FPGA在数据中心常用于计算加速，比如云计算的加速实例、金融的高频/低时延的交易系统处理，FPGA还广泛应用于数据中心的互联、存储控制系统。 对于国产厂商来说，28nm是最需要抓住的市场，16nm制程是考虑到未来5-10年增长必须首先占据优势的位置。目前，500K以内的FPGA占中国70%的市场，60%以上的市场是28-90nm的FPGA。尽管如此，全球FPGA的制程正在向16nm过渡。2028年，20-90nmFPGA的市场占比将从2019年的49%降至46%，而≤16nm的FPGA将从36%提升至44%。 目前，我们估算FPGA国产化率达到8.4%，2028年国产FPGA合计收入有望超200亿元人民币，国产化率将达到16%。国产FPGA在低容量可以快速替代，中端FPGA可以渐进替代，高端FPGA目前处于从0-1的突破阶段。我们测算，2022年，以全球83亿美元FPGA市场计算，国产FPGA全球市占率合计达到8.4%。2028年，国产厂商合计收入将有望达到214亿元人民币，届时全球市场份额将达到16%。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易摩擦加剧。 P3 东兴证券深度报告 FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？——“FPGA五问五答”系列报告三 目录 1.复盘1984-2022：FPGA市场是如何成长的？未来成长的驱动力？4 2.FPGA在每个下游的增长驱动力？6 3.FPGA在低时延场景的巨大优势8 4.FPGA在每个下游市场究竟用在哪里？9 5.从现在开始，中国对FPGA的主流需求在哪里？17 6.FPGA国产替代的空间？18 7.风险提示19 相关报告汇总20 插图目录 图1：FPGA各下游应用场景、市场规模、国产化进展及未来增长一览4 图2：全球FPGA市场成长复盘及未来展望（1990-2022，2023E-2028E）5 图3：中国FPGA市场未来5年CAGR18%，高于全球6 图4：FPGA相比CPU在时延上的巨大优势的原因8 图5：FPGA在电信市场中的应用场景9 图6：FPGA在汽车市场中的应用场景10 图7：FPGA在工业市场中的应用场景12 图8：FPGA在医疗市场中的应用场景13 图9：FPGA在消费电子中的应用场景13 图10：FPGA在国防&航空航天市场中的应用场景14 图11：近5年来美国太空活动转向活跃，且以地球、火星、探月为主要目标15 图12：FPGA在多媒体&广播市场中的应用场景15 图13：FPGA在数据中心&AI的应用场景16 图14：中国FPGA市场需求主要在<100K（2019销售额）17 图15：中国FPGA市场需求主要在28-90nm（2019销售额）17 图16：2028年，16nm及以下的FPGA占比将提升至接近50%17 表格目录 表1：FPGA各大下游全球市场规模、主要应用场景和未来增长驱动力7 表2：赛灵思的ZynqUltraScale+MPSoCFPGA在多个激光雷达中广泛使用11 表3：我们预计国产FPGA厂商在28年收入合计达到214亿18 P4 东兴证券深度报告 FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？——“FPGA五问五答”系列报告三 FPGA目前是一个全球80亿+美元的市场，大部分需求来自于电信、工业、数据中心&AI、国防&航空航天四大领域，28年增长至接近200亿美元（CAGR15%+），由中国市场引领增长。我们将FPGA的各个下游的应用场景、规模、未来6年复合增速、国产化率总结为如下图。电信是依然是现在和未来FPGA最重要的市场，无论是从未来17%的复合增速还是从20+规模来看，都是国产FPGA想要快速成长必须要抓住的市场，目前国产化推进中。而最快的市场则在数据中心&AI下游，我们看到愈发增长的高并行、低时延的计算需求在推动FPGA技术的发展。此外，国防&航空航天一向是FPGA重要的下游市场，受全球地缘政治环境变化驱动，未来复合增速将达到15%。 图1：FPGA各下游应用场景、市场规模、国产化进展及未来增长一览 资料来源：Xilinx，Altera，Lattice，Marketsandmarkets，东兴证券研究所估计、整理及绘制 1.复盘1984-2022：FPGA市场是如何成长的？未来成长的驱动力？ 目前，全球FPGA市场规模约为83亿美元，28年将成长为近200亿美元级别市场。从1984年发明开始，FPGA首先在通信获得广泛应用，进入2000年后则是消费电子和通信双驱动发展，2010年后，AI和汽车成为FPGA新增长市场。未来，FPGA的成长驱动力来自于AI、国防&航空航天、工业和汽车等下游。 P5 东兴证券深度报告 FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？——“FPGA五问五答”系列报告三 自从1984年以来，虽然FPGA发明的初衷是替代ASIC，但受限于80年代的晶圆制造技术，面积较大的FPGA良率难以得到提升，价格昂贵。此外，Xilinx引入的EDA还不够完善，不如乘积项架构的PAL好理解。因此，90年代之前，FPGA一直只在胶合逻辑领域（GlueLogic）使用，即用于帮助ASIC设计者补上那些最后才被发现意外忽略的功能，使得FPGA市场空间在当时仅有1亿美元，而FPGA所属的逻辑芯片市场规模在1990年已达到156亿，是FPGA市场的156倍（现在逻辑芯片市场1760亿，是FPGA的20倍）。 直到突破了门级数的限制，FPGA才开始脱离粘合逻辑的场景，逐步开始替代ASIC。Xilinx开创的无晶圆厂模式，以及CMP技术的出现，使得晶圆制造的成本下降，FPGA的成本得以大幅降低。FPGA 突破百万门限制之后，可以完成复杂的大型电路这一以往只有ASIC能够实现的设计。此外，正如我们在系列报告一提到的，基于LUT架构的FPGA，其可扩容性和容量都高于乘积项架构的SPLD和CPLD。因此，1990-1995年，FPGA的增长来自于不断获得本来使用ASIC的客户订单，以及对SPLD的替代。1995-2000年，FPGA扩展到通信和网络下游，获得广泛的无线基站和数通网络设备的订单。 进入00年后，随着科网泡沫破裂，客户对低成本电子系统方案愈发看重，FPGA从原来高端的通信下游下沉至低成本的消费电子下游，特别是小容量的FPGA开始侵蚀CPLD和低成本ASIC的市场，加上3G的建设带来的通信市场需求，以及对DSP的替代，支撑了FPGA市场2000-2010年的成长。 2010年后，随着以AlexNet为代表的的神经网络模型问世，FPGA在人工智能找到加速计算的新方向和成长逻辑，AI成为FPGA龙头赛灵思增速最快的下游。 未来，FPGA的成长驱动力来自于愈发增多的低时延处理和高灵活的变化场景，特别是在AI、国防&航空航天、工业和汽车这些下游尤为明显。 图2：全球FPGA市场成长复盘及未来展望（1990-2022，2023E-2028E） 资料来源：Xilinx，Altera，IDC，Marketsandmarkets，In-Stat，Gartner，Dataquest，Frost&Sullivan，东兴证券研究所整理绘制 P6 东兴证券深度报告 FPGA在各行业究竟用在哪里？未来哪个下游最有机会？——“FPGA五问五答”系列报告三 当前中国FPGA市场规模约为16亿美元，预计28年规模约为45亿美元，复合增速18%，高于全球其他地区。2019年，中国FPGA市场规模约为11亿美元，2019-2022年，5G规模部署等因素拉动，中国FPGA市场复合增速15%高于全球市场（复合增速13%）。预计2023年，国内FPGA市场将达到19亿美元规模，AI&数据中心、电信、国防&航空航天、汽车市场对FPGA日益增长的需求，将推动国内FPGA市场在2028年增长至45亿美元，继续引领全球市场增长。 图3：中国FPGA市场未来5年CAGR18%，高于全球 资料来源：Marketsandmarkets，东兴证券研究