电子“FPGA五问五答”系列报告五：FPGA的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？

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的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？ 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”系列报告五 投资摘要： 通过前四篇系列报告，我们回答了这几个关键的问题：FPGA的独一无二的价值是什么？FPGA厂商自身的价值在哪里？为什么龙头能有这么宽的护城河？FPGA在未来增长的驱动力是什么？在我们FPGA五问五答系列报告的最后一篇中，我们聚焦于中国FPGA市场，为大家解答目前FPGA国产化进展和未来的方向，并对国内优秀的公司进行系统梳理。 FPGA市场几乎被美国公司垄断，国产替代必要性不言而明。Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip均为美国公司，2022年，四家公司合计仍占据全球FPGA市场90%的市场份额，一旦被列入清单意味着无FPGA可用。以华为、海康为代表科技企业，对FPGA国产替代意愿强烈，积极扶持国产FPGA厂商。在此背景下，国产FPGA厂商迎来史无前例的发展机遇。 目前，本土FPGA厂商和海外龙头的差距客观存在，有充分的追赶空间。一方面，我们看到本土和全球龙头在容量、制程、收 入规模、下游扩展进展、毛利率的差距依然较大，另一方面，这也恰恰说明了国产FPGA仍拥有非常充足的追赶空间，FPGA国产替代远未到触及天花板的阶段。随着FPGA国产替代向高端市场深入，本土头部FPGA厂商有望迎来市场份额和盈利能力的 双改善。我们认为，目前FPGA国产化有两大有利条件：一是近年国产FPGA厂商收到的政府补助金额较大，体现国家对FPGA 国产化的强烈扶持态度。二是28nm生命周期比以往代际更长，给了国产厂商较为充分的追赶空间。 国产替代现状？大客户切入，28nm加速替代。40-55nm的低容量市场较为成熟，本土厂商正在快速替代，28nm的中低容量市场替代加速进行。而500K以上的高容量FPGA是目前国产替代的难点，需要本土公司在硬件架构、EDA软件、IP性能等方面深入发展。其中，最重要的是解决EDA软件在大规模FPGA的布局布线问题。 Xilinx如何用5年时间完成从30%到50%的份额跃迁？1998-2003年，Xilinx用了5年时间市占率增长了20pct，我们认为，这主要是得益于：1）Xilinx吃到了周期下行阶段行业出清的红利；2）Xilinx对FPGA市场发生的转变做出了非常好的竞争策略应对，在最关键的时候做了正确的事情；3）头号竞争对手Altera在1998-2002年CPLD主业面临困境，并出现了明显的战略失误，让出了部分市场。1998-2003年，FPGA市场发生了下面四大变化，Xilinx均做到了正确的应对。变化一：ASIC逐渐被FPGA替代，Xilinx的竞争策略是成为技术领导者。变化二：低成本愈发重要，Xilinx的竞争策略是推出定义准确的低成本FPGA。变化三：推出的小容量低成本Spartan系列将FPGA应用拓展至消费领域，并开始替代CPLD。变化四：2000年科 网泡沫后，行业份额进一步集中，Xilinx在下行期激进地投研发，在复苏期推出新品，进一步扩大份额。 目前国产替代可以从Xilinx的历史份额跃迁学到什么？我们认为最重要的替代策略是通过技术领先快速抢占客户，以及更准确的产品定义。做到包括制程、产品性能、定义、EDA软件能力、自研IP的能力这几个维度上“五边形”式的领先。 未来，国产FPGA替代主要朝两个方向发展：1）以高容量和更先进制程为特征的高端FPGA；2）SoCFPGA。高端FPGA市场的好处在于格局更加清晰，首先进入的厂商往往能获得大比例份额。在制程上，本土FPGA制程已推进到≤16nm，有望逐步开启上量阶段。此外，SoCFPGA可以有效减少系统面积、提升性能，其代表的异构化路线是FPGA行业目前的竞争主线。目前，Xilinx的SoCFPGA已经发展至大型的异构计算平台，近5年来愈发成为收入的重要来源，最新占比已接近三分之一。我们看到，多家本土FPGA厂商亦对SoCFPGA非常重视，在今年发布多款产品，有望加快SoCFPGA替代进程。 风险提示：下游需求不及预期，中美贸易摩擦加剧。 P2 东兴证券深度报告 FPGA的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？——“FPGA五问五答”系列报告五 目录 1.目前国产替代的有利条件？5 2.现状：中低容量较为成熟，28nm加速替代6 3.Xilinx是如何完成市占率30%到50%的跃迁的？我们从中能学到什么？9 4.未来：向≤16nm、SoCFPGA及更高容量进军，生态培养是重点12 5.国内有哪些优秀的FPGA厂商？15 5.1.紫光同创（Pango）：国产FPGA龙头15 5.2.安路科技（688107.SH，Anlogic）16 5.3.高云（GoWin）：车规FPGA布局领先17 5.4.易灵思（Elitestek）：16nmFPGA国内首发18 5.5.复旦微电（688385.SH，1385.HK，FudanMicro）21 5.6.紫光国微（002049.SZ，GuoxinMicro）21 5.7.智多晶（IntelligentSilicon）21 5.8.京微齐力（HerculesMicro）22 6.风险提示23 相关报告汇总24 插图目录 图1：28nm生命周期比之前的长5 图2：赛灵思将所有7系产品延长到2035年，说明28nmFPGA生命周期比以往代际更长6 图3：随着FPGA容量不断提升，FPGA公司必须努力提升资源利用率，布局布线算法是重中之重8 图4：1998-2003，Xilinx在竞争策略上完全符合当时市场的关键变化，使得市占率从30%跃升到50%10 图5：1998-2003，FPGA市场的四大变化11 图6：Xilinx的RFSoC方案可以减少板上50%的面积13 图7：SoCFPGAZynq系列推出后迅速增长，近年收入贡献接近三分之一13 图8：易灵思的专利架构Quantum，特点在于其逻辑单元可在布局布线阶段成为交换单元19 图9：易灵思的TinyML平台支持多个AI模型19 图10：易灵思车规FPGA已应用在激光雷达和毫米波雷达20 表格目录 表1：目前国内龙头和全球龙头仍有较大差距，有足够的追赶空间4 表2：FPGA相关企业近4年来收到的政府补助金额较大，体现国家强烈的扶持意愿5 表3：在45/55nmFPGA已在国内推出4-5年，国产厂商基本具有覆盖XilinxSpartan6能力7 表4：28nm性价比&中低容量FPGA替代加速进行7 表5：20/22nm产品可以替代Xilinx7系列产品8 表6：14/16nm替代已经开始12 表7：XilinxSoCFPGA已经发展至大型的异构计算平台14 P3 东兴证券深度报告 FPGA的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？——“FPGA五问五答”系列报告五 表8：国产SoCFPGA进展15 表9：紫光同创FPGA产品情况16 表10：安路科技产品情况16 表11：高云半导体FPGA产品情况17 表12：高云半导体车规级FPGA的情况18 表13：易灵思FPGA产品情况18 表14：易灵思目前已量产4颗车规FPGA，用于激光雷达、毫米波雷达等领域20 表15：复旦微FPGA产品情况21 表16：西安智多晶FPGA产品情况22 表17：京微齐力FPGA产品情况22 P4 东兴证券深度报告 FPGA的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？——“FPGA五问五答”系列报告五 FPGA市场几乎被美国公司垄断，国产替代必要性不言而明。Xilinx、Altera/Intel、Lattice、Microchip均为美国公司，2022年，四家公司合计仍占据全球FPGA市场90%的市场份额，一旦被列入清单意味着无FPGA可用，国产替代必要性极强。特别是以华为、海康为代表科技企业，对FPGA国产替代意愿强烈，积极扶持国产FPGA厂商。在此背景下，国产FPGA厂商迎来史无前例的发展机遇。 目前，本土FPGA厂商和海外龙头的差距客观存在，有充分的追赶空间。自从2018年中兴、华为等科技公司陆续被美国列入实体清单，本土FPGA厂商开始快速发展。龙头紫光同创2018年收入仅为973万元，2022年飞速增长至15亿+元人民币。然而，FPGA国产替代方兴未艾。对比全球龙头Xilinx，本土FPGA厂商的追赶空间依然较大：1）从FPGA的容量来看，目前国产民用FPGA最高水平能做到约400k逻辑单元，而 目前全球容量最大的FPGA为Xilinx在2023年6月27日推出的VP1902（VersalPremium），逻辑单元数高达18,507k，是国内的46倍；2）从制程上看，目前国产最先进制程在14/16nm，而Xilinx在2018年便发布了7nm的异构FPGA产品Versal；3）从收入来看，2022年国产龙头紫光同创的收入为人民币15亿元，全球份额从0爬升至2.6%，我们估算Xilinx在2022年收入达到42亿美元（全球份额50%+），是本土龙头的20倍；4）从下游应用看，目前最高端的FPGA两大领域——原型验证、数据中心加速计算仍未有国产FPGA能够进入；5）从毛利率看，目前国产FPGA集中于在消费电子领域进行中低容量的替代，相比大容量FPGA市场的进入壁垒相对较低，出现了一定程度的“内卷”，典型毛利率在35%-40%之间，而Xilinx在高端FPGA市场竞争优势突出，近10年毛利率基本维持在65%以上，近3年更是接近70%。总的来说，一方面我们看到本土和全球龙头的差距依然较大，另一方面，这也恰恰说明了国产FPGA仍拥有非常充足的追赶空间，FPGA国产替代远未到触及天花板的阶段。我们认为，随着FPGA国产替代向高端市场深入，本土头部FPGA厂商有望迎来市场份额和盈利能力的双改善。 表1：目前国内龙头和全球龙头仍有较大差距，有足够的追赶空间 最高LC最高制程龙头收入龙头份额 毛利率 国产情况 全球龙头Xilinx ~400k14/16nm ￥15亿2.6%35%-40% 18,507k(VP1902) 7nm~$42亿 50%+65%+ 下游 消费电子通信A&D汽车工业医疗 原型验证数据中心加速 √√√√√ ××× √√√√√√√√ 注：LC为LogicCells（逻辑单元），系FPGA通用的容量衡量单位，详细请查看我们的FPGA系列报告一《FPGA提供了什么价值？》；龙头收入及份额均为 2022年数据；最高LC指目前民用国产FPGA中最高的逻辑单元数；毛利率使用FPGA上市公司安路科技披露的数据。资料来源：紫光同创，安路科技，Xilinx，东兴证券研究所整理 P5 东兴证券深度报告 FPGA的国产替代现在是什么情况？未来是哪些方向？——“FPGA五问五答”系列报告五 1.目前国产替代的有利条件？ 有利条件一：近年国产FPGA厂商收到的政府补助金额较大，体现国家对FPGA国产化的强烈扶持态度。从已披露数据的来看，2018年-2022年5年间，国产FPGA厂商每年均收到了千万级甚至上亿的政府补助。2022年，安路科技、复旦微、紫光国微计入当期损益的政府补助金额分别为人民币3000万+、6000万+和 1.7亿元。而主要产品为CPU的龙芯中科2022年政府补助金额为1.9亿元，主营产品为CPU和DCU的海光信息为6000万+，景嘉微为3000万+。根据WSTS数据，2022年微处理器市场规模508亿美元，是FPGA市场规模的6倍。对比其它品类的数字芯片公司，FPGA公司收到的政府补助金额依然较大，体现出国家对FPGA的强烈扶持意愿。 表2：FPGA相关企业近4年来收到的政府补助金额较大，体现国家强烈的扶持意愿 万元 产品种类 2018年 2019年 2020年