相较其他逻辑芯片而言，市场规模还未超百亿美元的FPGA行业在投资人眼里难免显得不够“性感”。然而FPGA独具的现场可编程特性使得该类产品成为广泛应用场景内无法替代的核心芯片品类之一。与此同时，在大数据时代下，市场对于算力提升需求激增，FPGA因其在硬件和软件端具有的灵活性和高计算效能，成为高端算力芯片中不可或缺的一部分。在芯片国产化的时代背景下，FPGA因其不可替代性及战略布局意义成为投资关注重点。
FPGA属于逻辑芯片大类，其核心特性在于现场可编程性片性
从半导体产品分类来说，FPGA属于逻辑芯片大类。相较其他逻辑芯片来说，FPGA独具现场可编程性，其在制造完成后功能并未固定，用户可以随时根据需要将设计的电路通过专用EDA软件对FPGA芯片进行功能配置，转化为具有特定功能的芯片，且可以多次配置，因此FPGA常被称为“万能芯片”。受益于此，FPGA芯片尤其适用于技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域。
相较其他逻辑芯片，FPGA芯片在灵活性、并行计算能力、计算效能等方面具备相对优势
• 相较CPU、GPU，FPGA在大数据量处理任务中计算效率更高，功耗更低：
由于芯片结构的不同，FPGA相较CPU来说在执行重复率较高的大数据量处理任务时计算效率更高。因为FPGA 无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。同时FPGA相较CPU和GPU在低功耗和低延迟方面具备一定天然优势。
• 相较ASIC，FPGA更具灵活性且研发周期短、研发风险低：
ASIC在运算性能和低功耗方面显著优于FPGA，但是ASIC芯片研发周期长，流片风险高，一旦投入量产芯片功能无法再进行修改。而FPGA可以灵活更改代码以实现不同的功能配置，且即买即用节约流片时间和成本，因此在技术不稳定的研发初期，FPGA更具优势。但是随着场景需求稳定，下游提出大规模应用需求时，ASIC更具低量产成本及高性能双重优势，一些厂商则会使用ASIC芯片替代FPGA。
基于FPGA可编程特性，其下游应用广泛，尤其适用于技术不稳定、灵活度要求高的场景
基于FPGA现场可编程的核心特性，其应用范围极其广泛，应用场景包括网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等领域。
FPGA尤其适用于技术不稳定、灵活度需求高、需求量小的场景。FPGA芯片相较其他逻辑芯片在研发初期更具备低研发成本、制造成本等优势。其中通信及工业领域为FPGA最主要的应用领域。
FPGA在通信领域的应用：
FPGA主要用于通信设备的高速接口电路设计。因为新一代移动通信网络建设初期通信协议修改频繁，FPGA因其灵活性自然成为应用首选。同时FPGA适用于处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。
FPGA在工业领域的应用：
FPGA主要应用场景包括工业通讯、电机控制、机器视觉、边缘计算、工业机器人等方面。FPGA芯片能够同时接收并处理来自多个工业电机设备数据，其现场可编程性和并行处理能力能够充分满足实时数据处理需求，计算速度快且功耗低。
FPGA市场规模稳步增长，通信、工业是需求来源的基本盘，AI+数据中心+自动驾驶引领行业增长曲线
根据Frost&Sullivan，预计全球 FPGA 市场规模将从 2020 年 369亿元增长至 2025 年 592 亿元，其中中国 FPGA市场从 2020 年 150 亿元增长至 332 亿元。中国FPGA市场规模增速预计将高于全球增速，随着国内数据中心建设需求增长、AI应用快速发展以及国产替代进程的进一步加速，中国FPGA市场需求量有望以领先全球的速度持续扩大。
聚焦中国FPGA市场，并拆分至下游应用领域可以发现：通信、工业是FPGA需求来源的基本盘。随着新一代通信技术商用化、智能工厂建设加速等多重因素影响，工控设备、通信基站、智能终端、无线通信需求扩大将带动FPGA 芯片市场需求的继续提升。
人工智能，汽车（自动驾驶）和数据中心等新兴市场的拓展进一步引领行业增长：近几年新兴市场加速发展，下游场景对数据计算、处理能力提出更高需求，受此影响，FPGA芯片作为提升算力，实现逻辑控制、数据转换、功能扩展、系统升级等功能的重要芯片市场规模快速增长。
随着下游场景不断拓展，技术持续迭代，数据量爆发式增长，通信、数据中心场景网络加速扩展，下游市场驱使FPGA 芯片向大容量、高性能方向演进。
其中数据中心、人工智能及5G通信等场景对芯片性能及容量要求较高，应用芯片的逻辑单元数量普遍超过500K，最高能达到3000K水平。相较而言，工业控制、消费电子等领域更偏向追求低功耗目标，中低端的FPGA产品即能满足需求。
FPGA的技术水平主要体现在容量和性能两个方面。其中制程、逻辑单元容量及SerDes速率是三大核心性能指标，制程决定了芯片的晶体管密度，单位面积内晶体管越多性能越强；逻辑单元容量是FPGA基本容量单位，同样芯片大小逻辑单元容量越多越强；SerDes速率决定着芯片与光模块间、芯片与芯片间、以太网的速度。
先进制程和先进封装是提升FPGA容量的突破点：先进的制程可以实现更低功耗、更快反应速度、单位面积更多晶体管数量，从而使得芯片性能更佳。同时，一部分超大规模的FPGA芯片开始采用硅通孔技术将多个裸片堆叠以三维封装的方式提升产品容量。
全球FPGA行业高度垄断，国产化需求重构中国FPGA市场竞争格局
历经40年行业发展，国际市场从群雄逐鹿到现在两大厂商为垄断。Xilinx和Altera两家加起来份额占到80%以上，剩下的份额由几家专注于低功耗低成本的厂商瓜分。其中Xilinx是FPGA发明者也是行业内最高技术水平的体现。
近年来头部FPGA厂商接连被收购，独立厂商迎来机会：
2015年Altera被Intel收购，2022年Xilinx被AMD收购，龙头FPGA厂商相继被半导体领域巨头收入囊中主要是出于自身战略因素考虑，以快速弥补其深耕市场的短板。随着数据中心对高性能计算的需求高增，传统CPU计算效率难以满足需求。因此以CPU结合FPGA的异构计算架构成为破局的方案。
在此背景下，头部FPGA厂商将转向深耕以提升整体集团业务效率为主的数据中心场景，独立FPGA企业或许能凭借自身业务灵活性，及时响应市场新需求，从而在垄断市场中寻找新的方向。
国产替代已初显成效，替代空间仍然广阔
截至2021年，FPGA国产化率上升至10%左右，相较2019年水平显著上升。按收入口径测算，安路科技、紫光同创分别市占4%，复旦微电占比约2%。
截取国内三家头部FPGA产商相关营业收入可见，近三年国产厂商FPGA产品收入正处于快速增长阶段。尤其2019年是国产厂商收入起量的关键节点，安路科技和紫光同创FPGA收入实现三位数增长。主要原因在于，2019年赛灵思对华为断供事件，加速行业内国产替代进程，国内多下游客户加快对国产FPGA厂商的验证及采购流程。
国产化进程驶入加速区，然而国内高端FPGA产品仍处于空白，国产技术水平较国际领先水平仍有两代以上的差距。
在技术水平方面，国内厂商性能最佳的产品大多对标Xilinx Artix-7系列产品，这款产品使用28nm制程，在Xilinx FPGA产品线中属于中低端系列产品的范围。然而国内能够对标Xilinx 20nm及以上先进制程的产品至今还处于研发当中。
从制程角度来看，国际龙头企业已实现了 7nm 先进制程 FPGA 芯片的量产，而国产FPGA芯片最高仅实现28nm 制程工艺。在产品布局方面，行业龙头企业的高端产品逻辑规模可达到 3KK 以上，国产FPGA产品仍以量产 400K 及以下逻辑规模的 FPGA 芯片为主，高性能和大容量 FPGA 产品销售数量与金额占比极小。
国产替代进程提速进行时，当下是国产厂商奋起直追的关键时机
以2019年为FPGA国产化提升的重要节点，由于赛灵思断供事件的发生进一步促使国产FPGA研发进程加速。华为、中兴等下游客户加快供应商验证流程，客户配合意愿度显著提升。相应地，头部国产厂商FPGA收入实现三位数的连年高速增长，市场内国产厂商的研发热情空前绝后。
当下正是国产厂商奋起直追的关键时机。随着国际行业龙头接连被收购，国产替代情绪高涨，国内独立FPGA厂商面临千载难逢的发展机会。机遇与挑战并存，未来五年期待国产FPGA在高端市场实现深度突破。
本文来自微信公众号“凯联资本”（ID:Capitallink_KLZB），作者：凯联产业研究院。
