（報告出品方：中信建投證券）

一、FPGA晶片簡介與技術要點

FPGA晶片簡介

邏輯器件（數字晶片）可以大致分為標準器件和定製晶片兩類，一般越偏向定製，邏輯器件的性能（速度）、集成度（門數）和設計 自由度等方面越有優勢，但設計、製造相關的開發費用越高，從下單到出貨的周轉時間也越長。其中，標準器件中有一類邏輯器件被 稱為可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD），FPGA是PLD的一種，其比以往（狹義）的PLD設計自由度更高，並有近似 於門陣列的構造，故被命名為FPGA（ Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）。 FPGA最早由Xilinx於1985年推出首款產品，目前其製造工藝已經達到7nm。

FPGA晶片原理與組成

FPGA由可編程的邏輯單元（Logic Cell，LC）、和外部進行信 號交互的輸入輸出單元（Input Output Block，IO）、連接前兩 種元素的開關連線陣列（Switch Box，SB）三個部分構成。

FPGA的邏輯單元通過數據查找表（look-up table，LUT）中存 放的二進位數據來實現不同的電路功能。LUT本質上是一種靜 態隨機存取存儲器（SRAM），其大小由輸入端的信號數量決 定，常用的查找表電路是四輸入查找表（LUT4）、五輸入查找 表（LUT5）和六輸入查找表（LUT6）。查找表輸入端越多， 可實現邏輯電路越複雜，因此邏輯容量越大。

由布爾代數理論可知，對於一個n輸入的邏輯運算，不論是何種 門運算，最多只有2 n種結果，因此若事先將相應結果存放於存 儲單元，則相當於實現了邏輯電路功能。一般k輸入的查找表由 2 k個SRAM單元和一個2 k輸入的數據選擇器組成。查找表的輸 入就是內存表的地址信號，輸出就是該地址所選字的1位數據。 k輸入的查找表可以實現2 2 k種邏輯函數。FPGA通過燒寫文件配 置查找表的內容，從而在相同的電路下實現不同的邏輯功能。

FPGA晶片可編程特性

FPGA最大的特性是現場可編程性。CPU、GPU、DSP、Memory及各類ASIC晶片在被製造完成之後，其功能就已被固定，用戶無法對 其硬體功能進行任何修改，而FPGA晶片在製造完成後，其功能並未固定，用戶可以根據實際需要，將設計的電路通過專用EDA軟體對 FPGA晶片進行功能配置，從而將空白的FPGA晶片轉化為具有特定功能的集成電路晶片，且可以進行多次不同功能配置。

快閃記憶體、反熔絲和靜態存儲器是現代FPGA常用的可編程技術。FPGA通過可編程的開關來控制電路結構從而實現可編程性。這種「可編 程」的開關通常使用多種半導體技術實現，FPGA歷史上使用過EPROM、EEPROM、快閃記憶體、反熔絲和靜態存儲器（SRAM）等，其中閃 存、反熔絲和靜態存儲器是現代FPGA常用的可編程技術，目前國內公司大部分使用基於靜態存儲器的可編程技術。

FPGA晶片可編程特性原理——靜態存儲器作為可編程開關

靜態存儲器由兩個CMOS反相器構成的觸發器和兩個傳 輸電晶體（Pass-Transistor，PT）組成。靜態存儲器利用 觸發器的雙穩態（0和1）記錄數據，而數據的寫入通過 PT進行，PT使用nMOS型電晶體。

靜態存儲器通常根據地址信號來驅動字線，數據的讀取 也通過PT。因此可以將存儲單元輸出的到th 間的高 電位通過讀取放大器放大後輸出。但是，由於FPGA需要 一直讀取數據，所以在FPGA中數據是直接從觸發器讀取 而非通過PT。

採用靜態存儲器作為可編程開關的FPGA大多在邏輯塊中 使用查找表（LUT），並使用數據選擇器等來切換布線 連接。查找表的存儲器中保存的就是邏輯表達式的真值 表本身，由多位的靜態存儲器構成。另外，控制數據選 擇器連接的選擇信號也和靜態存儲器相連。這種FPGA 一般稱為SRAM型的FPGA，是目前的主流類型。

FPGA高容量帶來高性能

FPGA晶片以包含LUT的可編程邏輯單元LC為基本邏輯單元設計電路，CPU/GPU/ASIC等晶片使用專用數字器件庫來設計電路。完成同 樣的代碼，FPGA需要的電晶體數量更多，導致其主頻較低。從數據對比來看，FPGA的主頻（<500MHz）相比CPU、GPU（1-3GHz） 存在較大差距。

FPGA晶片的並行計算的性能由其容量來提供，高容量的FPGA允許部署更多的處理電路，因而帶來了更高的處理性能。在容量方面， LUT數量、DSP數量、RAM數量和User IO數量是重要的技術指標，其中LUT數量是FPGA晶片容量的基礎性指標。其次，製造工藝、 DSP工作頻率、動態功耗、SerDes速率和DDR3/DDR4速率等是FPGA晶片重要的技術指標。

先進工藝對FPGA容量提升貢獻最大

FPGA自誕生來緊隨工藝的發展路線，不斷使用最先進的製程工藝推出新產品，這主要是由於更先進的製程可以實現更低功耗、更快反 應速度、單位面積更多電晶體數量，從而使得晶片性能更佳。

2005年後FPGA和ASIC的工藝製程差距逐漸拉大，FPGA和通用處理器一樣緊隨工藝發展腳步每兩年更新一次，而ASIC近十年除遊戲主 機等一部分應用外，大多數產品仍在130-90nm製程，FPGA所採用的工藝比ASIC領先三四代。

Xilinx的FPGA產品有Spartan系列、Artix系列、Kintex系列、Virtex系列，產品工藝主要是45nm、28nm、20nm、16nm。對比Xilinx不同產 品的容量不難發現，對於同一系列產品，工藝越先進，對應產品容量越高。

二、FPGA產業現狀與發展機遇

全球FPGA市場直指百億美元廣闊空間

FPGA近百億美元廣闊市場，受益於數據中心和AI等應用，未來5年增長加速。隨著數據中心建設，人工智慧和自動駕駛等新興市場的 加速發展，FPGA需求將持續增長。根據Gartner預測，2020-2026年全球FPGA出貨量從5.11億顆增至8.25顆，CAGR為8.3%；FPGA市場 規模從55.85億美元增至96.9億美元，CAGR為9.6%。

中國FPGA市場規模快速增長

近幾年中國FPGA市場持續擴大增長，整體增速領先全球。根據Frost&Sullivan測算，2020年中國FPGA出貨量達到1.6億顆，市場規模達 到150.3億元。隨著國內AI應用的快速發展以及國產替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望以領先全球的速度持續擴大， Frost&Sullivan預計2021-2025年，中國FPGA晶片出貨量將從1.9億顆增至3.3億顆，CAGR約為15.0%；市場規模將從176.8億元增至332.2 億元，CAGR約為17.1%。

FPGA下游覆蓋領域廣泛，通信和工業為主要應用市場

通信和工業為最大下游市場，汽車市場份額保持上升趨勢。從下游應用市場來看，通信和工業市場份額位居FPGA晶片一二位，同時通 信市場份額有望持續提升，而工業市場則呈小幅下降趨勢。全球軍工、航天FPGA應用市場份額穩定在15%左右。汽車為增長最快速的 下游市場，Gartner預計其市場份額將由2020年的5.9%增至2026年的12.3%。消費電子預計將是FPGA晶片份額最小的下游市場，主要是 因為FPGA雖然以其靈活性適宜於消費電子快速疊代的節奏，但在具有顯著規模效應的消費電子市場，FPGA相比ASIC的成本劣勢明顯 。因此從生命周期來講，FPGA的應用具有一定局限性。

通信是當前FPGA最大的下游市場，未來保持高於平均的增速

通信是目前FPGA規模最大的應用市場，且隨著通訊技術持續的疊代，FPGA應用優勢逐步擴大，市場需求仍將保持高增長。未來幾年 國內外通信FPGA市場規模的複合年增長率均高於FPGA整體，通信市場的應用份額也將穩中有升。根據Gartner數據，2026年全球通信 FPGA晶片市場規模將達到32.3億美元，2020-2026年CAGR為10.4%。Frost&Sullivan預測2025年中國通信應用的FPGA晶片市場規模將達 到140.4億元，2021-2025年CAGR約17.5%。

工業製造智能升級，FPGA或將成為產業快速發展的疊代手段

在加速轉型的工業領域，FPGA大有取代ASIC的趨勢。工業4.0是德國與工業界為製造業制定的未來藍圖，也是工業轉型升級的指路明 燈。工業4.0的大部分應用場景對邊緣智能的硬體加速提出了新的需求，要求更低延遲的數據處理能力。另一方面，新設備需要具有可 重新編程的能力，以應對標準或者協議的演變。此外，智能工廠的建立離不開大數據處理及AI技術的應用。FPGA提供靈活的解決方案 ，因此大有取代ASIC的趨勢，特別是在工業通訊、電機控制、機器視覺、邊緣計算、工業機器人等應用場景。

三、FPGA國內外公司現狀

Xilinx與Intel主導市場，國產廠商已取得突破

海外廠商主導全球FPGA市場，Xilinx和Intel形成雙頭壟斷。全球的FPGA主要供應商包括Xilinx、Intel、Lattice和Microchip等海外晶片 設計公司，其中Xilinx優勢最為明顯。根據Gartner統計數據，以收入口徑，2021年Xilinx、Intel、Lattice和Microchip的市占率分別達51% 、29%、7%和6%。

國內企業持續加大FPGA晶片的研發布局，通過自身技術的突破來滿足本土客戶的應用需求。目前國內主要的FPGA廠商有紫光國微（ 含紫光同創）、復旦微電、安路科技等，上述公司2021年在國內市場共占據16%的市場份額，其中安路科技和紫光同創產品結構偏向消 費電子、工業控制和通訊等民用領域。

中低容量和成熟製程FPGA滿足當前市場主流需求

500K以下邏輯單元FPGA占主導。按邏輯單元拆分，目前100K以下邏輯單元的FPGA仍是市場需求量最大的部分，其次為100K-500K邏 輯單元部分。根據Frost & Sullivan，中國市場2019年以銷售額計，100K邏輯單元以下的FPGA占據了38.2%的市場份額，100K-500K邏輯 單元的FPGA占據了31.7%的市場份額。

28nm-90nm工藝製程FPGA占主導，具有較高性價比。按製程拆分，目前28nm-90nm製程區間內的FPGA由於其較高的性價比，與較高 的良品率依然占據了市場的主要地位。此外，由於先進位程產品具有更低功耗與面積和更高的性能，28nm以下製程的FPGA預計將快速 發展。根據Frost & Sullivan，中國市場2019年以銷售額計，28nm-90nm製程的FPGA占據了63.3%的市場份額，28nm以下製程的FPGA占 據了20.9%的市場份額。

Xilinx：全球領先的FPGA解決方案供應商

2022財年營收恢復高速增長，數據中心領域增長亮眼。目前Xilinx為全球最大的FPGA供應商，2021財年營收規模31.5億美元，同比下 滑主要受新冠疫情影響。2022財年前三季度公司重拾高速增長，營收同比增長23%。從收入結構來看，AIT（國防、工業等）和通信是 主要營收來源，2021年占比分別為44%和30%。從各下游市場增速來看，AIT保持穩定增速，數據中心增長最快，通信業務受貿易限制 和5G部署延遲等因素而出現下降。

Altera攜手Intel，探索異構計算新領域

Intel收購Altera，FPGA業務當前戰略轉向協同Intel鞏固數據中心領導地位。Altera成立於1983年，為全球第二大FPGA供應商。2015年 Altera被Intel收購後劃為PSG事業部(Programmable solution group)，2022年起PSG事業部併入DCAI事業部(Datacenter and AI Group）。 DCAI致力於使用英特爾的頂級伺服器CPU和FPGA開發數據中心產品，這意味著未來Intel的FPGA業務或將聚焦於數據中心、人工智慧 等高端應用場景。

Lattice把握核心市場需求景氣機遇，2021年步入高增長通道

公司營收保持增長趨勢，2021年以來增速提升。2018年至今，公司營收維持逐年增長態勢。2021年起公司營收開始快速增長，同比增 速達到26.3%，實現營收5.2億美元。2022Q1-Q3公司實現營收4.8億美元，同比增長29.7%。

通信/計算、工業/汽車領域營收高成長，消費營收占比逐步收縮。按下游市場劃分營收結構，公司收入主要來源於通信/計算、工業/汽 車兩大領域，2021年營收分別達到42%和44%。同時，受益於5G建設、工業自動化、智能座艙等需求的高增長，上述領域自2020年以來 保持兩位數以上增速。消費領域前期的疲軟主要源於市場需求減弱，以及公司更加聚焦於營收主力市場，儘管2021年消費營收有所增 長，但營收占比由2019年的19%下降至2021年的10%。

四、FPGA行業投資分析與盈利預測

國產替代空間大，長期看好國內FPGA廠商

民用市場：從下遊行業角度來看，Lattice預計有60億美金目標市場，這也是國內FPGA廠商發展的路徑，同時這些行業本身還有不斷迭 代的新增需求。Lattice預計2024年全球小型FPGA和中型FPGA市場規模分別為22億美元和25億美元，合計市場份額61.0%，占據市場主 體。國內FPGA廠商可以參考Lattice的路徑，早期基於小型和中型FPGA，逐步拓展到大型FPGA。

特種市場：出於國家安全考量，特種應用領域自主可控的重要性排在首要位置，預計在部隊信息化和裝備國產化的雙輪驅動下，特種 FPGA國產化率進程將領先於民用市場，國內供應商將迎來發展機遇。

自主可控提振需求端，國產替代空間巨大

中國為國際大廠最大營收貢獻地，為國內廠商留下充足替代空間。目前Xilinx和Lattice的最大營收地區全部來源於中國，占比分別為3 成和5成，國內廠商對應可替代的市場空間充足。 隨著摩爾定律放緩，頭部廠商跟隨先進工藝的速度也隨之下降，給國內企業追趕提供時間窗口。 FPGA下游市場為通信、工控、汽車、數據中心、特種應用領域，均有較強的自主可控需求，國內FPGA廠商成長空間廣闊。

國內廠商產品質量已獲認可，產品矩陣有較大擴展空間

國內外FPGA廠商在產品豐富度與技術實力存在差距，國內廠商還有巨大提升空間。首先在14nm及以下的先進位程產品區間，國內公 司還處於空白階段。對比同為28nm製程的產品系列，國內公司的產品矩陣豐富度不及海外巨頭，同時國內產品在性能上也有一定的差 距，例如邏輯容量和SERDES速率。以安路科技高端產品PHOENIX1系列為例，招股說明書中將PH1A100對標Xilinx Artix7系列的 XC7A100T，而XC7A100T在XIlinx7系列產品中屬於中等偏下水平。

報告節選：

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精選報告來源：【未來智庫】。「連結」