2022年FPGA行業(yè)市場空間及發(fā)展趨勢分析

1、2022年FPGA行業(yè)市場空間及發(fā)展趨勢分析1. FPGA“現(xiàn)場可編程”，行業(yè)地位舉足輕重現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），是基于通 用邏輯電路陣列的集成電路芯片，是一種在 PAL(可編程邏輯陣列)、GAL(通用陣 列邏輯)、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)等傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的一種半定制電路。 FPGA 由可編程的邏輯單元（Logic Cell，LC）、輸入輸出單元（Input Output Block，IO）和開關(guān)連線陣列（Switch Box，SB）三個部分構(gòu)成。邏 輯單元通過數(shù)據(jù)查找表（LUT）中存放的二進(jìn)制數(shù)據(jù)

2、來實現(xiàn)不同的電路功能。 LUT 的本質(zhì)是一種靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM），其大小是由輸入端的信號數(shù)量 決定的，查找表輸入端越多，可以實現(xiàn)的邏輯電路越復(fù)雜，因此邏輯容量越大。FPGA 芯片制造完成后，用戶通過對邏輯單元和開關(guān)陣列編程，使 FPGA 內(nèi) 部形成不同的邏輯電路，從而實現(xiàn)用戶所需的功能。具體實現(xiàn)過程而言，用戶首 先將需要的電路功能用硬件描述語言進(jìn)行描述，配套的 FPGA 專用 EDA 軟件接受 用戶的功能描述和目標(biāo)要求后，通過邏輯綜合、布局布線和物理優(yōu)化，最終編譯 生成二進(jìn)制位流數(shù)據(jù)。用戶將位流數(shù)據(jù)存放在 FPGA 芯片上或芯片外的特定存儲 空間，F(xiàn)PGA 芯片啟動后將位流加載到邏輯

3、單元的 SRAM 數(shù)據(jù)存儲空間和開關(guān)連 線的 SRAM 控制存儲空間，F(xiàn)PGA 芯片就實現(xiàn)了用戶期望的特定功能。FPGA 芯片的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在容量和性能兩個方面。在容量方面，LUT 數(shù)量、DSP 數(shù)量、RAM 數(shù)量和 User IO 數(shù)量是重要的技術(shù)指標(biāo)，其中 LUT 數(shù)量 是 FPGA 芯片容量的基礎(chǔ)性指標(biāo)。在性能方面，制造工藝、DSP 工作頻率、動態(tài)功耗、SerDes 速率和 DDR3/DDR4 速率是 FPGA 芯片重要的技術(shù)指標(biāo)，其中制 造工藝是 FPGA 芯片性能的基礎(chǔ)性指標(biāo)。和 CPU、GPU、DSP、Memory 以及各類 ASIC 芯片不同，F(xiàn)PGA 最大的特 點是芯片在制

4、造完成后，其功能并未固定，用戶可以根據(jù)自己的實際需要，將自 己設(shè)計的電路通過 FPGA 芯片公司提供的 EDA 軟件對 FPGA 芯片進(jìn)行功能配置， 從而將空白的 FPGA 芯片轉(zhuǎn)化為具有特定功能的集成電路芯片。每顆 FPGA 芯片 均可以進(jìn)行多次不同功能配置，從而實現(xiàn)不同的功能，具有高度靈活性。此外， FPGA 芯片由于其無指令、無需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)，具有低延遲、高吞吐等優(yōu) 勢，能夠?qū)崿F(xiàn)極強的實時處理和并行處理能力。FPGA 芯片的上述特點一方面賦予其廣闊的應(yīng)用場景和發(fā)展?jié)摿?，另一方?決定了 FPGA 供應(yīng)商在提供芯片之外，還可以通過專用 EDA 軟件、工程測試、應(yīng) 用方案等為用戶創(chuàng)造價

5、值，從而提升用戶粘性，增強自身的競爭優(yōu)勢。2. FPGA 下游應(yīng)用市場廣泛，市場空間廣闊FPGA 芯片因其現(xiàn)場可編程的靈活性和不斷提升的電路性能，擁有豐富的下 游應(yīng)用領(lǐng)域，包括工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等。受 居家辦公和在線學(xué)習(xí)興起、5G 商用化、智慧城市和智能工廠建設(shè)加速、車聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)發(fā)展等多重因素影響，工控設(shè)備、通信基站、智能終端、服務(wù)器、汽車電子 等產(chǎn)品的需求進(jìn)一步擴大，從而帶動 FPGA 芯片市場需求持續(xù)提升。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計全球 FPGA 市場規(guī)模將從 2021 年的 68.6 億美元增長至 2025 年的 125.8 億美元，

6、年均復(fù)合增長率約為 16.4%。近幾年中國 FPGA 市場持續(xù)擴大增長，根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，中國 FPGA 市場從 2016 年的約 65.5 億元增長至 2020 年的約 150.3 億元，年均復(fù)合 增長率約為 23.1%。隨著國產(chǎn)替代進(jìn)程的進(jìn)一步加速，中國 FPGA 市場需求量有 望持續(xù)擴大。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，預(yù)計到 2025 年，中國 FPGA 市場規(guī)模 將達(dá)到約 332.2 億元，2021 至 2025 年年均復(fù)合增長率將達(dá)到 17.1%。分下游應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前通信和工控仍然占據(jù)中國 FPGA 市場 70%以上的 份額，也是國內(nèi) FPGA

7、 廠商國產(chǎn)替代的主要市場；數(shù)據(jù)中心、汽車電子領(lǐng)域的市 場應(yīng)用占比較低，仍待開發(fā)，且目前主要被 Xilinx、Altera 等海外龍頭廠商占據(jù)。按邏輯單元拆分，目前 100K 以下邏輯單元的 FPGA 芯片仍是市場需求量最 大的部分，其次為 100K-500K 邏輯單元部分。 Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2019 年 100K 邏輯單元以下的 FPGA 芯片占據(jù)了中國市場 38.2%的市場份額，100K500K 邏輯單元的 FPGA 芯片占據(jù)了 31.7%的市場份額。 按制程拆分，目前 28nm-90nm 制程區(qū)間內(nèi)的 FPGA 芯片由于其較高的性價 比與較高的良品率，依然占據(jù)了市場

8、的主要地位。此外，由于先進(jìn)制程產(chǎn)品具有 更低功耗與面積和更高的性能，預(yù)計 28nm 以下制程的 FPGA 芯片將快速發(fā)展。 Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2019 年 28nm-90nm 制程的 FPGA 芯片占據(jù)了中國 市場 63.3%的市場份額，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占據(jù)了 20.9%的市場份額。2.1 工控領(lǐng)域：應(yīng)用廣泛，國產(chǎn)替代進(jìn)行時FPGA 芯片在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，大量應(yīng)用在視頻處理、圖像處理、數(shù) 控機床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號控制和運算加速功能。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示 ， 2020年中國應(yīng)用于工控領(lǐng)域的FPGA 芯片市場銷售額約47.4億元，

9、占中國FPGA 芯片市場份額的31.5%，預(yù)計2021年至2025年年均復(fù)合增長率將達(dá)到 16.1%。以數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)為例，相較傳統(tǒng)的只能控制單一馬達(dá)的專用芯片， FPGA 芯片可以做到多通道的馬達(dá)控制。目前驅(qū)動馬達(dá)所消耗的電力占據(jù)了全球 能源消耗的很大部分，在節(jié)能環(huán)保的趨勢下，未來各類能夠精準(zhǔn)控制馬達(dá)并可以 在單一芯片上實現(xiàn)控制多個馬達(dá)的 FPGA 芯片將在工業(yè)控制領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。此外，F(xiàn)PGA 芯片的優(yōu)勢也使其在 LED 顯示屏領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED 顯示屏控制系統(tǒng)是一個融合計算機控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、通信技術(shù)的綜合系統(tǒng)。當(dāng)前主流的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)多以 FPG

10、A 芯片或 FPGA 芯片結(jié)合 其他芯片做為主控芯片。FPGA 芯片的現(xiàn)場可編程特性可滿足大型 LED 顯示屏系 統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的需求，以滿足各種形狀和規(guī)格顯示屏的定制，也可滿足其 需要進(jìn)行亮度、對比度、灰度級等參數(shù)靈活調(diào)節(jié)的需求，使 LED 顯示屏得到更加 細(xì)膩的顯示畫面。以安路科技的 EG4 系列 FPGA LED 補償型液晶無縫拼接屏方案為例，F(xiàn)PGA 內(nèi)部主要由 LVDS 接收和解碼模塊、視頻縮放模塊、LVDS 編碼和發(fā)送模塊、LED 緩存和驅(qū)動模塊組成。FPGA 負(fù)責(zé)接收來自主板的視頻信號，然后將視頻信號進(jìn) 行處理，分成液晶顯示部分和 LED 顯示部分，再分別輸出給液晶 TCON

11、 板去驅(qū)動 液晶顯示，和給 LED 驅(qū)動板去驅(qū)動 LED 顯示。2.2 通信領(lǐng)域：FPGA 優(yōu)勢明顯，5G 推動需求增長通信領(lǐng)域是 FPGA 芯片的主要應(yīng)用市場之一，根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示， 2020 年中國通信 FPGA 芯片銷售額約 62.1 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 41.3%，同時預(yù)計 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長率將達(dá)到 17.5%。在有線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 被應(yīng)用于數(shù)據(jù)接入、傳送、路由器、交換機的多種電路板中，實現(xiàn)信號控制、傳輸加速等功能。在無線通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 被用于無 線通信基站和射頻處理單元的多種電路板中，實現(xiàn)通信協(xié)議的各種功

12、能和未來升 級需求，集成 CPU 的 FPGA 芯片被用于室外微基站、室內(nèi)微基站等中，完成多模 覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量增加、人工智能計算等功能。 FPGA 芯片在通信行業(yè)的主要優(yōu)勢有兩點：一方面靠運算速度滿足通信領(lǐng)域 高速的通信協(xié)議處理需求；一方面依靠靈活性適應(yīng)通信協(xié)議持續(xù)迭代的特點。2.3 消費電子：差異化需求帶來 FPGA 發(fā)展機遇在消費電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片主要用于智能手機、無人機、智能電視、 AR/VR 設(shè)備中。在消費電子產(chǎn)品的設(shè)計中，很多情況下視頻、音頻等信息均需要 與運算芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。比如，在視頻領(lǐng)域，攝像頭需要將采集到的數(shù)據(jù)傳遞 給計算芯片處理，或者將處理后的結(jié)果傳遞給屏幕進(jìn)行顯示

13、等。但由于各種設(shè)備 內(nèi)部的信號協(xié)議都不盡相同，傳統(tǒng)的設(shè)計中往往需要專用的接口芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)格 式的轉(zhuǎn)換。如果單一設(shè)備需要的接口較多，就需要較多的外圍芯片，其體積、功 耗都較大。而單一 FPGA 芯片方案可以實現(xiàn)各種存儲接口的控制，接口邏輯都可 以在 FPGA 芯片內(nèi)部實現(xiàn)，大大簡化了外圍電路的設(shè)計。此外，由于終端消費者對產(chǎn)品的性價比較為關(guān)注，消費電子市場對于產(chǎn)品的 成本和功耗要求較為嚴(yán)苛，在保持甚至提高產(chǎn)品性價比的同時，提高產(chǎn)品的差異 化程度成為消費電子廠商制勝的關(guān)鍵。為凸顯產(chǎn)品的差異化，消費電子廠商目前 形成了一種類似協(xié)處理器、功能簡單、功耗低、性價比高的解決方案，該方案將FPGA 芯片做為主

14、要芯片之一，為 FPGA 芯片在消費類電子市場的發(fā)展提供了良 好的機遇。以安路科技 AL3 橫屏轉(zhuǎn)豎屏 MIPI 顯示方案為例，該方案主要針對 DSI（顯 示接口）做相關(guān)設(shè)計方案，內(nèi)部具有豐富的 LUT 和 BRAM 資源，用于實現(xiàn)協(xié)議 和數(shù)據(jù)處理?；诎猜?AL3 FPGA 器件，實現(xiàn) LVDS 的視頻數(shù)據(jù)接收，在芯片內(nèi) 通過邏輯和 SDRAM 實現(xiàn)，橫屏轉(zhuǎn)豎屏，旋轉(zhuǎn) 90 度算法處理。處理完成后，通 過調(diào)用 MIPI 接口，實現(xiàn)視頻在 DSI 的相關(guān)協(xié)議，完成顯示。該方案具有器件設(shè) 計難度低、BOM 成本低、集成度高等優(yōu)點。消費電子是 FPGA 芯片的新興應(yīng)用市場之一，根據(jù) Frost&S

15、ullivan 數(shù)據(jù)， 2020 年應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國銷售額約 9.4 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 6.3%，預(yù)計 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長率將達(dá)到 13.0%。2.4 數(shù)據(jù)中心：硬件加速效果顯著，應(yīng)用需求不斷提升數(shù)據(jù)中心是全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、 展示、計算、存儲數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器和存儲器作為數(shù)據(jù)中心的通用基礎(chǔ)設(shè)備，為 了應(yīng)對復(fù)雜多變的應(yīng)用情景，需要 FPGA 芯片實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能擴 展、系統(tǒng)升級等功能。 FPGA 芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，數(shù)據(jù)中心使用 FPGA 芯片代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的 CPU

16、方案后，處理其自定義算法時可實現(xiàn)顯著的加速效果。因此從 2016 年開始，微軟 Azure、亞馬遜 AWS、阿里云的服務(wù)器上都開始部署 FPGA 加速器用于運算加速。在云計算大面積應(yīng)用的背景下，未來數(shù)據(jù)中心對芯片性能 的要求將進(jìn)一步提高，更多數(shù)據(jù)中心將采納 FPGA 芯片方案，這將提高 FPGA 芯 片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價值占比。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，2020 年中國應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場規(guī)模約 16.1 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 10.7%，預(yù)計 2021-2025 年年均復(fù)合增速將達(dá)到 16.6%。2.5 汽車電子：汽車電動智能化加速

17、，F(xiàn)PGA 應(yīng)用前景廣闊隨著汽車電子的不斷發(fā)展，以及電動汽車、智能汽車的興起，F(xiàn)PGA 在汽車 中的應(yīng)用越來越廣泛，扮演著越來越重要的角色。FPGA 在汽車電子中的應(yīng)用主 要有以下幾個領(lǐng)域。在輔助駕駛和自動駕駛領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片可用于實現(xiàn)機器視 覺與目標(biāo)檢測等各種功能，用于數(shù)據(jù)/圖像的預(yù)處理、軟件算法的硬件加速以及多 傳感器融合，可以實現(xiàn)多個圖像傳感器的信號橋接、3D 環(huán)視視頻融合、倒車輔 助視頻、輔助駕駛視頻等功能。在車載信息娛樂系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 芯片可以連接駕駛 系統(tǒng)、儀表盤、傳感器、屏幕等各種車載設(shè)備，用于視頻接口和 I/O 擴展、視頻 圖像處理和格式轉(zhuǎn)換等。在電動汽車控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA

18、 芯片可用于控制和驅(qū)動電動汽車電機控制系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)等。相較其他通用芯片方案，F(xiàn)PGA 芯片為快速增長的各種汽車電子應(yīng)用需求提 供了靈活的低成本高性能解決方案。FPGA 方案在輔助駕駛的視頻分析功能中可 采用超低延時精確算法對來自車輛攝像機的實時視頻輸入信號進(jìn)行分析，及時做 出判斷，且 FPGA 方案可以在不進(jìn)行重新設(shè)計的前提下實現(xiàn)重新編程，以適應(yīng)不 斷發(fā)展的算法，從而縮短整體方案的開發(fā)周期。因此，在高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、汽車信息娛樂系統(tǒng)等新興汽車電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片成功地應(yīng)對了自 動駕駛要求的快速演變，成為提升用戶駕駛體驗和信息娛樂體驗不可或缺的一部 分。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，2020 年中國應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場規(guī)模約 9.5 億元，占中國 FPGA 芯片市場份額的 6.3%，預(yù)計 2021-2025 年 年均復(fù)合增速將達(dá)到 22.7%，保持快速增長。2.6 人工智能：高度靈活+強大并行運算能力，市場潛力大人工智能算法的硬件芯片實現(xiàn)分為云側(cè)處理和端側(cè)處理，其中，云側(cè)處理又 可分為訓(xùn)練和推斷兩大任務(wù)。在云側(cè)與端側(cè)的不同任務(wù)中， FPGA 芯片均已與 GPU 及 ASIC 等芯片一起成為人工智能處理芯片的重要選擇之一。 在云側(cè)處理時，F(xiàn)PGA 芯片在推斷任務(wù)處理上具有廣闊前景，相比