FPGA从硬件到软件,国产替代分析(附合集)

本文来自“FPGA专题：万能芯片点燃新动力，国产替代未来可期（2023）”，全球范围内  FPGA  产业的兴起与发展可分为两个阶段。

（ 1 ）第一阶段是  20 世纪  80  年代开始的创业潮与行业垄断化。 Lattice 、 Altera 、 Xilinx  和  Actel  在 1983~1985  年陆续成立，并迅速成长为  FPGA  行业四大龙头； 2010  年后  Xilinx 和  Altera  已经占据  80% 以上的市场份额，剩余份额则大部分被  Lattice  和  Actel 瓜分。

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《基于FPGA技术设计及应用合集》

1、一种基于FPGA的实时图像拼接融合算法电路设计 2、基于FPGA彩色图像自适应巴特沃斯滤波器及其应用 3、一种基于FPGA的双接口NFC芯片验证系统 4、基于FPGA的NoC路由节点的设计 5、一种FPGA配置加载管理电路的设计与实现 6、面向FPGA芯片开发的测试方法设计与实现 7、基于FPGA的脉冲神经网络模型设计与实现 8、一款用于Flash型FPGA的阶梯式配置方法

《FPGA五问五答系列合集

FPGA专题：万能芯片点燃新动力，国产替代未来可期（2023）

《算力系列研究报告合集》

1、算力系列之一：液冷，护航数据中心走向绿色低碳 2、算力系列之二：算力租赁产业框架

2024 AIGC 应用层十大趋势

AI大潮下如何创新（2024）

《ASIC技术在算法设计及实合集》

1、SM4算法CBC模式的高吞吐率ASIC实现 2、SM3杂凑算法的ASIC设计和实现 3、SM3算法高速ASIC设计及实现

（ 2 ）第二阶段是从  2010  年开始、以大型并购案为特点的行业洗牌。 随着半导体行业对  FPGA  的重视加大， Microchip 、 Intel  和  AMD  等半导体龙头纷纷下场收购与整合  FPGA  业务，尤其是  Xilinx  和  Altera  分别与母公司  AMD  和  Intel  形成  CPU+FPGA  的集合优势，战略部署数据中心应用。 中国 FPGA 产业起步和发展较晚。 复旦微电子自  2004  年开始进行  FPGA  研发，布局相对较早，安路科技和紫光同创也于  2011  和  2013  年相继成立。

国际龙头厂商产品矩阵完整性高，覆盖面广。 经过数十 年的发展，已形成全面覆盖从数十  K  至数千  K  个逻辑单元量级、从低端到高端的 全系列产品线，已可对工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等主要下游领域形成全面覆盖。

AMD （ Xilinx ） FPGA 相关产品矩阵主要包括：四大  FPGA 产品系列 （ VIRTEX 、 KINTEX 、 ARTIX 、 SPARTAN ）， 以及集成度更高的两大自适应  SoC （ Adaptive SoC ） 系列 （ ZYNQ 、 VERSAL ）。

（ 1 ）从芯片制程来看， 主要有  UltraScale+ （ 16nm ）、 UltraScale （ 20nm ）、 7  系列（ 28nm ）和  6  系列（ 45nm ）四大类， VERSAL  则是整体升级为  7nm  制程。

（ 2 ）从芯片架构来看， FPGA  单芯片向更先进工艺、更高速电路结构、复杂异构  SoC  系统发展， AMD （ Xilinx ）的  VERSAL  系列产品中集成了  PCIe 、 Ethernet  通信协议以及  AI  引擎、 NoC  架构等。

（ 3 ）从产品价格来看， 随着产品定位从低端走向高端， FPGA  容量等指标不断提升，通信架构逐渐升级，对应开发板的价格也从数百美元逐步增加到一万多美元。

（ 4 ）从应用领域来看， 数据中心等高端应用所适用的  FPGA  芯片大多为高端  FPGA  产品线，仅有少部分中高端  FPGA  也能够满足数据中心网络加速需求。

观点 #1 ：在高端  FPGA  硬件水平上，国产厂商与国际龙头尚存在较大差距

首先在制造工艺方面， AMD （ Xilinx ） Versal  系列已经进入  7nm  制程工艺， Intel （ Altera ）与之对标的  Agilex  系列也已采用  Intel 7  制程工艺。国产厂商目前尚处于  28nm  的技术节点，且在  28nm  产品的推出节点上落后于两大国际龙头近十年。作为  FPGA  芯片性能的基础性指标，芯片制程仍然是国产替代突围的 关键。

其次是硬件架构方面， 国际龙头已经开始在高端产品中使用先进的  NoC  片上 通信网络架构以及兼顾内存容量与带宽的  HBM  存储架构， AMD （ Xilinx ）更是开创  ACAP  的新型异构模式，因此架构创新与升级也是国产厂商未来发展需要攻克 的难关。

在应用领域方面， 行业龙头企业  AMD （ Xilinx ）、 Intel （ Altera ）的产品已可 对工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等主要下游领域形成全面覆盖，国产厂商现阶段的产品线尚有不足。与硬件水平的问题殊途 同归， 国产  FPGA  首先需要突破先进的硬件技术，才能够在高端应用领域占有一席之地，而目前国产  FPGA  尚处于中低端市场，自主可控道阻且长。

AMD 、 Intel  双寡头主导市场，中端市场国产化机遇显现。 全球市场竞争格局稳定，国际龙头占据绝对市场份额。 根据  Frost&Sullivan 数据， 2019  年全球前四大  FPGA  厂商合计占据  94.4% 的市场份额，其中， AMD （ Xilinx ）、 Intel （ Altera ）分别占据  51.7% 、 33.7% 的绝对份额，具有难以撼动的 市场地位。

中国市场竞争格局主要呈现两大特点：（ 1 ）国产  FPGA  厂商开始崛起。 近年来，随着国产替代趋势渐渐进入  FPGA  市场，国产  FPGA  厂商已占有一席之地。

测算，主要国产  FPGA  设计公司合计营业收入自  2018  年的  2  亿元增长至 2022  年的  33  亿元， 2022  年全球市占率已超过  5% （按本文  2.3  测算口径），国产化进程大步推进。 （ 2 ）国际龙头厂商在中国市场的占有率略低于全球市场（出货 量口径）。

2019  年， AMD （ Xilinx ）、 Intel （ Altera ）在中国市场的份额为  36.6%/25.3% （出货量口径），低于其在全球市场  51.7%/33.7% 的份额。

从需求侧看：中国  FPGA  市场目前以容量 <500K 、制程在  28-90nm  的产品 为主，中低端市场空间更为广阔。 根据  Frost&Sullivan  数据， （ 1 ）按逻辑单元拆分， 目前  100K  以下逻辑单元的  FPGA  芯片仍是市场需求量最大的部分，其次为 100K-500K  逻辑单元部分。 500K  以下逻辑单元的  FPGA  芯片合计占有  69.9% 的 市场份额（ 2019  年中国市场，销售额口径）。

（ 2 ）按制程拆分， 目前  28nm-90nm 制程区间内的  FPGA  芯片由于其较高的性价比与较高的良品率依然占据了市场中 63.3% 的份额（ 2019  年中国市场，销售额口径）。此外，由于先进制程产品具有更低功耗与面积和更高的性能， 28nm  以下制程的  FPGA  芯片预计将快速发展。

从供给侧看：国际龙头对中端  FPGA  投入放缓，中端市场迎来机遇。 2022 年  9  月， AMD  宣布  Xilinx 7  系列产品的生命周期将至少延长至  2035  年，这意味着在中端  FPGA  领域， AMD  的战略是维持旧有市场，而非增加投入。 这为原本在低端市场发展的  FPGA  厂商带来机遇。

观点 #2 ：国产厂商渗透率不断提升，中低端市场带来国产替代强大驱动力

从市场层面看： FPGA  供需两侧为国产替代营造有利格局，国产化已初显成 效。 国内  FPGA  市场对中低端产品需求旺盛，国产  FPGA  可触达市场空间依然广阔。 FPGA 龙头厂商被 CPU 龙头收购，未来战略向母公司数据中心相关业务倾斜，国产  FPGA  获得进入中端市场的机遇和空间。 从公司层面看：

（ 1 ）国产  FPGA  已形成  28nm  产品系列，进军更先进制程。 复旦微于  2018  年率先推出  28nm  亿门级  FPGA ，安路科技与紫光同创于  2020  年先后来到  28nm  节点。各公司在更先进制程均已进行多年研发与积累，剑指国产 FPGA  尚未触及的高端市场。

（ 2 ）新兴领域积极布局，寻求更大市场空间。 安路 科技积极开拓汽车电子、数据中心、运算加速等新兴市场，复旦微新一代配置有 APU 、 GPU 、 VPU 、 eFPGA 、 AI  引擎的异构智能  PSoC  产品—— FPAI  也成功发布，紫光同创第二代面向人工智能、机器视觉等领域的  SoPC  已经启动研发。 FPGA 行业广阔的市场空间仍将持续驱动国产  FPGA  厂商加速成长。

在于小型  FPGA  产品的市场基础扎实，在工业控制、 LED  等行业出货量较大。 复旦微  FPGA  产品主要应用于高可靠等特定领域，毛利率水平普遍较高。紫光同创背靠紫光集团，与长江存储、紫光展锐、新华三等同属一系，在  5G  通信行业 上下游产业链进行了布局，拥有较强的融资能力和市场运作能力。

通过将产品线与营收体量对比来看，先进制程对  FPGA  厂商营收带动明显。 复旦微进入市场较早， 2018  年其  FPGA  营收显著高于安路科技、紫光同创。随着 2020  年安路科技与紫光同创相继推出  28nm  新制程产品，营收体量快速成长， 2019-2022  年营收  CAGR  分别达到  104% 、 145% ，略快于复旦微  71% 的  CAGR 增速。

海外  FPGA  厂商已建立成熟的  EDA  软件生态环境。 AMD （ Xilinx ）研发的 Vitis 、 Vivado  以及  Vitis AI  设计工具可以帮助  AI  科学家、应用与算法工程师、嵌入式软件开发人员以及传统硬件开发人员等所有类型的开发人员使用  AMD  自适应计算解决方案。 Intel （ Altera ） Quartus Prime  软件包含从设计输入和合成到优化、验证和模拟的所有步骤，另有  Questa  等多款其他软件，覆盖  FPGA 、 CPLD 和  SoC FPGA  的完整开发工具。 Lattice  也具有  Diamond 、 Radiant 、 Propel  等设计工具，提供专为  Lattice  器件而优化的设计流程。

国产  FPGA  厂商亦不落下风，研发投入占比较大。 紫光同创  Pango Design Suite  软件开发工具是一款拥有国产自主知识产权的大规模  FPGA  开发软件，可以支持千万门级  FPGA  器件的设计开发。复旦微也已具备全流程自主知识产权 FPGA  配套  EDA  工具  ProciseTM 。安路科技  TangDynasty 、 FutureDynasty  是其自主开发的  FPGA 、 FPSoC  集成开发环境，其中  FutureDynasty  可以实现  RISC-V 工程的编译与调试，根据其招股书披露数据， 2018-2021H1 ， FPGA  及  FPSoC 软件研发相关投入分别占总研发投入的  25%/30%/26%/19% ，软件工具的研发亦成为  FPGA  公司研发投入的重要组成部分。

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