2022年FPGA行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展趨勢(shì)分析

1、2022年FPGA行業(yè)市場(chǎng)空間及發(fā)展趨勢(shì)分析1. FPGA“現(xiàn)場(chǎng)可編程”，行業(yè)地位舉足輕重現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(shí)現(xiàn)不同的電路功能。 LUT 的本質(zhì)是一種靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM），其大小是由輸入端的信號(hào)數(shù)量 決定的，查找表輸入端越多，可以實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)用戶所需的功能。具體實(shí)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(chǔ) 空間，F(xiàn)PGA 芯片啟動(dòng)后將位流加載到邏輯

3、單元的 SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和開關(guān)連 線的 SRAM 控制存儲(chǔ)空間，F(xiàn)PGA 芯片就實(shí)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(gè)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(dòng)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(diǎn)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(shí)際需要，將自 己設(shè)計(jì)的電路通過 FPGA 芯片公司提供的 EDA 軟件對(duì) 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(shí)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(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)極強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理和并行處理能力。FPGA 芯片的上述特點(diǎn)一方面賦予其廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展?jié)摿Γ硪环矫?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(cè)試、應(yīng) 用方案等為用戶創(chuàng)造價(jià)

5、值，從而提升用戶粘性，增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2. FPGA 下游應(yīng)用市場(chǎng)廣泛，市場(chǎng)空間廣闊FPGA 芯片因其現(xiàn)場(chǎng)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(fèi)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(kuò)大，從而帶動(dòng) FPGA 芯片市場(chǎng)需求持續(xù)提升。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將從 2021 年的 68.6 億美元增長(zhǎng)至 2025 年的 125.8 億美元，

6、年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為 16.4%。近幾年中國(guó) FPGA 市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大增長(zhǎng)，根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)從 2016 年的約 65.5 億元增長(zhǎng)至 2020 年的約 150.3 億元，年均復(fù)合 增長(zhǎng)率約為 23.1%。隨著國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的進(jìn)一步加速，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)需求量有 望持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到 2025 年，中國(guó) FPGA 市場(chǎng)規(guī)模 將達(dá)到約 332.2 億元，2021 至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)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(guó) FPGA 市場(chǎng) 70%以上的 份額，也是國(guó)內(nèi) FPGA

7、 廠商國(guó)產(chǎn)替代的主要市場(chǎng)；數(shù)據(jù)中心、汽車電子領(lǐng)域的市 場(chǎng)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(chǎng)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(guó)市場(chǎng) 38.2%的市場(chǎng)份額，100K500K 邏輯單元的 FPGA 芯片占據(jù)了 31.7%的市場(chǎng)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(jià) 比與較高的良品率，依然占據(jù)了市場(chǎng)

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(jì) 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(guó) 市場(chǎng) 63.3%的市場(chǎng)份額，28nm 以下制程的 FPGA 芯片占據(jù)了 20.9%的市場(chǎng)份額。2.1 工控領(lǐng)域：應(yīng)用廣泛，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)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(jī)床等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)控制和運(yùn)算加速功能。根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示 ， 2020年中國(guó)應(yīng)用于工控領(lǐng)域的FPGA 芯片市場(chǎng)銷售額約47.4億元，

9、占中國(guó)FPGA 芯片市場(chǎng)份額的31.5%，預(yù)計(jì)2021年至2025年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 16.1%。以數(shù)控機(jī)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(dòng)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(shì)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(shí)現(xiàn)控制多個(gè)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(shì)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(gè)融合計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(duì)比度、灰度級(jí)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(bǔ)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(dòng)模塊組成。FPGA 負(fù)責(zé)接收來自主板的視頻信號(hào)，然后將視頻信號(hào)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(dòng) 液晶顯示，和給 LED 驅(qū)動(dòng)板去驅(qū)動(dòng) LED 顯示。2.2 通信領(lǐng)域：FPGA 優(yōu)勢(shì)明顯，5G 推動(dòng)需求增長(zhǎng)通信領(lǐng)域是 FPGA 芯片的主要應(yīng)用市場(chǎng)之一，根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示， 2020 年中國(guó)通信 FPGA 芯片銷售額約 62.1 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 41.3%，同時(shí)預(yù)計(jì) 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)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(jī)的多種電路板中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的各種功

12、能和未來升 級(jí)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(jì)算等功能。 FPGA 芯片在通信行業(yè)的主要優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：一方面靠運(yùn)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(diǎn)。2.3 消費(fèi)電子：差異化需求帶來 FPGA 發(fā)展機(jī)遇在消費(fèi)電子領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片主要用于智能手機(jī)、無人機(jī)、智能電視、 AR/VR 設(shè)備中。在消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，很多情況下視頻、音頻等信息均需要 與運(yùn)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(jì)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(hào)協(xié)議都不盡相同，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各種存儲(chǔ)接口的控制，接口邏輯都可 以在 FPGA 芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。此外，由于終端消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的性價(jià)比較為關(guān)注，消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)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(jià)比的同時(shí)，提高產(chǎn)品的差異 化程度成為消費(fèi)電子廠商制勝的關(guān)鍵。為凸顯產(chǎn)品的差異化，消費(fèi)電子廠商目前 形成了一種類似協(xié)處理器、功能簡(jiǎn)單、功耗低、性價(jià)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(fèi)類電子市場(chǎng)的發(fā)展提供了良 好的機(jī)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(duì) DSI（顯 示接口）做相關(guān)設(shè)計(jì)方案，內(nèi)部具有豐富的 LUT 和 BRAM 資源，用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議 和數(shù)據(jù)處理?；诎猜?AL3 FPGA 器件，實(shí)現(xiàn) LVDS 的視頻數(shù)據(jù)接收，在芯片內(nèi) 通過邏輯和 SDRAM 實(shí)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(shí)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(jì)難度低、BOM 成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。消費(fèi)電子是 FPGA 芯片的新興應(yīng)用市場(chǎng)之一，根據(jù) Frost&S

15、ullivan 數(shù)據(jù)， 2020 年應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國(guó)銷售額約 9.4 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 6.3%，預(yù)計(jì) 2021 年至 2025 年年均復(fù)合增長(zhǎng)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(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。服務(wù)器和存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)中心的通用基礎(chǔ)設(shè)備，為 了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的應(yīng)用情景，需要 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能擴(kuò) 展、系統(tǒng)升級(jí)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(shí)可實(shí)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(yùn)算加速。在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下，未來數(shù)據(jù)中心對(duì)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(jià)值占比。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，2020 年中國(guó)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場(chǎng)規(guī)模約 16.1 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 10.7%，預(yù)計(jì) 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(dòng)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(dòng)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(gè)領(lǐng)域。在輔助駕駛和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 芯片可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器視 覺與目標(biāo)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)多個(gè)圖像傳感器的信號(hào)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(kuò)展、視頻 圖像處理和格式轉(zhuǎn)換等。在電動(dòng)汽車控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA

18、 芯片可用于控制和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電機(jī)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(zhǎng)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(shí)精確算法對(duì)來自車輛攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻輸入信號(hào)進(jìn)行分析，及時(shí)做 出判斷，且 FPGA 方案可以在不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的前提下實(shí)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(jí)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(duì)了自 動(dòng)駕駛要求的快速演變，成為提升用戶駕駛體驗(yàn)和信息娛樂體驗(yàn)不可或缺的一部 分。 根據(jù) Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)，2020 年中國(guó)應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域的 FPGA 芯片 市場(chǎng)規(guī)模約 9.5 億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 6.3%，預(yù)計(jì) 2021-2025 年 年均復(fù)合增速將達(dá)到 22.7%，保持快速增長(zhǎng)。2.6 人工智能：高度靈活+強(qiáng)大并行運(yùn)算能力，市場(chǎng)潛力大人工智能算法的硬件芯片實(shí)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(shí)，F(xiàn)PGA 芯片在推斷任務(wù)處理上具有廣闊前景，相比