2022年FPGA行业发展现状及市场份额研究

FPGA开发圈 2022-08-17 21:35

1.多场景适用芯片——FPGA

FPGA 芯片即现场可编程门阵列芯片,是逻辑芯片的一种,通常由可编 程的逻辑单元、输入输出单元和开关连线阵列三种功能单元构成。它是作为 专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电 路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA 芯片的工艺制程、门级规模及 SerDes 速率是当前产品性能的重要 指标,FPGA 的门级规模代表着 FPGA 可开发的潜力。SerDes 的传输速率对 FPGA 的实际性能表现也有很大的影响,直接的反应了 FPGA 与外界数据交 换的能力,SerDes 速率越高其交换能力越强。

FPGA 无需等待芯片流片周期,编程后可直接使用,有助于企业节省产 品上市时间。技术未成熟阶段,FPGA 架构支持灵活改变芯片功能,有助于 降低器件产品成本及风险,更适用于 5G 商用初期的市场环境。与 CPU/GPU 相比,FPGA 单位功耗性和计算耗时均成量级提升,同时可实现出色的 I/O 集 成。

对比传统 CPU、GPU、ASIC 芯片,FPGA 具有高性能、低耗能和灵活性 等特点,兼具硬件的并行性和低延时性,在上市周期、成本上也具有优势。基于此,近年来 FPGA 芯片需求高增。

2.行业壁垒高,产品拥有可观利润

FPGA 芯片产业链上游主要包括基本的制造材料、EDA 设计软件、IP 授 权,中游是芯片设计企业,下游包括晶圆代工、封装测试。目前在上游领域, 国内 EDA 软件相对薄弱,本土厂商使用的 EDA 软件都是依靠国外授权;中 游本土厂商较多,特别是近两年国产 FPGA 高速增长,虽然与国际大厂相比 还有一定差距,但是部分千万门级、以及亿门级产品可以实现自主生产;下 游领域,本土晶圆代工和封测企业已经基本可以满足国内制造需求。

上游成本方面:FPGA 芯片作为可编程器件,流片需求较少,对上游代工厂依赖度较低,需专业设计软件、算法架构支持。底层算法架构设计企业 FPGA 芯片设计对底层算法架构依赖度较低,上游算法供应商对中游 FPGA 芯片研发制造企业议价能力有限。主要算法架构设计企业包括高通、ARM、 谷歌、微软、IBM 等。另一方面,FPGA 芯片企业需通过 EDA 等开发辅助软 件完成设计,可提供 EDA 软件的国际一流企业向芯片研发企业收取高昂模块使用费,中国市场可提供 EDA 产品的企业较少,以华大九天、广立微、博达微科技等为代表,本土软件功能相对简单,难以满足多样的芯片设计需求, 因此国内芯片设计企业大多采用国外 EDA 软件,目前采购境外 EDA 软件产品成本高昂,是主要成本之一。

下游利润方面:FPGA 芯片利润空间巨大,中低密度百万门级、千万门 级 FPGA 芯片研发企业利润率接近 50%。高密度亿门级 FPGA 芯片研发企业 利润率近 70%(以赛灵思、Intel 收购的 Altera 为例)。相较赛灵思、Intel 等 巨头,中国 FPGA 在研发方面起步晚,但研发进度逐渐赶上(与全球头部厂 商相差 3 代缩短至约 2 代)。

3.芯片市场高速增长,多个下游领域需求爆发

根据 Frost&Sullivan 数据,2021 年,全球 FPGA 芯片产业规模约为 68.6 亿美元,同比增长 12.8%。随着全球新一代通信设备部署以及人工智能与自 动驾驶技术等新兴市场领域需求的不断增长,FPGA 市场规模预计将持续提 高,预计到 2025 年市场规模将达到 125.8 亿美元。

近几年中国 FPGA 市场持续扩大增长,2021 年国内 FPGA 芯片市场为 176.8 亿元。2016-2021 年年均复合增长率约为 23.1%。随着国产替代进程的 进一步加速,中国 FPGA 芯片市场需求量有望持续扩大,预计到 2025 年,中 国 FPGA 市场规模将达到约 332.2 亿元。

得益于 FPGA 高灵活性,可扩展的优点,FPGA 主要应用于需要调整芯片市场,包括网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等。2020 年中国 FPGA 应用最多的市场为通讯领域,占比达到 41.3%,这主要得益于近几年国内大规模新建 5G 基站。(报告来源:未来智库)

4.芯片行业寡头效应明显,国内企业逐步打开市场

从竞争格局来看,目前 FPGA 的主要产业链供应商仍然集中在欧美地区, 以 Altera(被 Intel 收购),和赛灵思(Xilinx)两家为主。2020 年全球 FPGA 市场被赛灵思和英特尔(Altera)合计占有率高达 83%左右,再加上 Lattice 和 MicroChip 合计 13%的市场份额,前四家美国公司即占据了全世界 96%以上 的 FPGA 供应市场,同时在硬件设计和高端的 EDA 软件设计上美国公司都形成了极强的技术封锁。从近几年的竞争格局来看前四家公司的市占率一直 保持着绝对的垄断优势。

主要 FPGA 企业

赛灵思:是全球 FPGA 行业的领军企业。赛灵思的产品覆盖消费电子、 工业、汽车电子、宇航等市场,市场占有率位列全球第一名。赛灵思也是全 球领先的 FPGA 完整解决方案的供应商,研发、制造并销售范围广泛的高级 集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的 IP。2022 年 2 月 14 日公司被 AMD 以 350 亿美元收购。Altera:公司在全球 19 个国家拥有超过 3000 名员工。生产的芯片主要用 于电信和无线通信设备,涉及军事装备、汽车、网络、工业等行业。2015 年 被英特尔以 167 亿美元收购。莱迪思(Lattice):公司提供业界最广范围的现场可编程门阵列(FPGA)、 可编程逻辑器件(PLD)及其相关软件,包括现场可编程系统芯片(FPSC)、 复杂的可编程逻辑器件(CPLD),可编程混合信号产品和可编程数字互连器 件,客户包括通讯、计算机、工业、汽车、医药、军事及消费品市场的原始 设备生产商。微芯科技(Microchip):是全球领先的单片机和模拟半导体供应商,主要 产品包括 PIC8 位单片机(MCU)、高品质的串行 EEPROM 等。

从产品情况来看,目前赛灵思的 FPGA 价格要明显要高于其他公司,其 产品规格也是最高端的;英特尔的 FPGA 主要是为辅助自身其他芯片设计, 定位于中高端;莱迪思选择采用 FD-SOI(耗尽型绝缘层上硅)这种工艺平衡 FPGA 的性能和功耗,主要针对 28nm 制程中低端市场,目前莱迪思已基于三 星 28nm FD-SOI 的 Lattice Nexus 技术平台,推出 Certus-NX、Cross Link-NX 等产品;微芯科技主要聚焦在低功耗、低成本的 28nm FPGA,并提供非易失 闪存和 SRAM(静态随机存取存储器)两种选择。

国内 FPGA 产业发展较晚,大部分企业在 2010 年后才成立,最初芯片设 计都是用的国外架构。目前国内与 FPGA 相关研发企业数量在 27 家以上,其 中已上市的企业包括复旦微电子、安路科技、航锦科技,准备上市的有成都 华微电子,其他企业暂未上市且规模较小。

国内 FPGA 芯片与国外差距较大,在 28nm 工艺制程领域,2011 年两大 国际 FPGA 巨头赛灵思和 Altera 率先发布了 28nm 工艺制程 FPGA,并逐步 开始销售,另外两家美国 FPGA 公司 Lattice 和 Actel 也于 2019 年推出 28nm 工艺制程 FPGA,目前 28nm 工艺制程 FPGA 的主要市场份额由上述 4 家美 国公司占据。国内紫光同创于 2020 年初发布了 28nm 工艺制程的千万门级 FPGA 产品,SerDes 传输速率 6.6Gbps;安路科技于 2020 年推出了 PHOENIX 系列产品,SerDes 传输速率 16Gbps。复旦微电自 2004 年开始进行 FPGA 的 研发,曾陆续推出百万门级 FPGA 和千万门级 FPGA,2018 年第二季度率先 推出28nm工艺制程的亿门级 FPGA产品,SerDes传输速率达到最高13.1Gbps, 并在 2019 年正式销售。

国内 FPGA 设计始于 20 世纪 90 年代,真正技术发展于 2000 年以后,起 步比国外晚十多年。通过对比国际尖端产品,核心参数差距依然较大。我国 FPGA 研发基础相对薄弱,研发人员稀缺。但是近些年来涌现出一些优秀的 研发企业,包括紫光同创,成都华微电子,安路科技,高云半导体,复旦微 电,京微齐力等。FPGA 发展涉及到单元架构、IP、EDA 软件、制程工艺、 封装技术、专业人才等诸多方面,国内企业必须使各个方面都达到所需要求 并构筑完整的生态,才能实现整体产业的进步乃至替代。

5.嵌入式架构成主流,国产芯片逐步缩小差距

FPGA 技术之所以具有巨大的潜在市场,其根本原因在于 FPGA 不仅可 以实现电子系统小型化、低功耗、高可靠性等优点,且其开发周期短、投入 少,芯片价格不断下降。随着应用需求的不断拓展,FPGA 也从传统架构逐步衍生到嵌入式可编 程系统架构。在传统的 FPGA 上增加应用处理单元、人工智能加速引擎、图 像处理单元、专用高速协议接口等专用处理模块,以期更好的满足灵活多变 的市场需求。嵌入式可编程系统架构是 FPGA 芯片架构的一次跃迁,是传统 FPGA 技术和新型 FPGA 技术的分水岭。而在嵌入式可编程架构之后,异构计算将是 FPGA 主要发展方向。诸多应用场景将要求 FPGA 将外部的模拟信号转为数字信号后进行处理,或者除 了进行算法处理、扮演高速处理器以外,还要同时执行复杂控制的任务,这 类新需求在未来人工智能、特种集成电路领域将非常普遍。异构计算,是将 不同架构处理芯片整合到一个系统内工作的方式。具体实施的方向包括两种:其一为芯片级集成,即将 CPU IP、GPU IP、DSP IP 等集成到单一 SoC 内;其二为板级集成,将 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等放在一个板上组合。将这 些不同逻辑器件整合起来,用不同架构去处理不同类型数据,根据处理速度 或带宽要求进行优化,发挥 CPU、GPU、FPGA、ASIC 各自的专长。

复旦微电在国内 FPGA 芯片设计领域处于领先地位,是国内最早推出亿 门级 FPGA 产品的厂商。公司自 2004 年开始进行 FPGA 的研发,曾陆续推 出百万门级 FPGA 和千万门级 FPGA,2018 年第二季度推出 28nm 工艺制程 的亿门级 FPGA 产品,在 2019 年正式销售。截至 2021 年底,公司累计向超 过 300 家客户销售基于 28nm 工艺制程的相关 FPGA 产品,上述客户类型包 括通信领域、工业控制领域及高可靠领域客户。公司开发的可编程器件开发 流程的工具软件 Procise,可支持公司全系列可编程器件,突破了 FPGA 总体 布局合法化方法、FPGA 芯片版图连线显示方法等关键先进技术。公司的 ProciseTM 是国内 FPGA 领域首款超大规模全流程 EDA 设计工具,可以为超 大规模 FPGA 提供全流程的自动设计服务,并集成了大量 IP 资源,可以帮助 用户快速实现应用方案的开发。

其他新产品方面,公司 PSoC 产品采用异构计算的新兴技术,实现“分 工合作、协同计算”的功能,将多个功能不同的芯片工作集成到一个芯片中 完成,突破现有 FPGA 产品的发展瓶颈,通过将通用处理器及常见功能模块 硬核化,减少了芯片面积与功耗,降低了用户开发难度,大幅提升了芯片的 任务处理性能。公司同时还开启了 14/16nm 工艺制程的 10 亿门级 FPGA 产品的研发进程,预计将于 2021-2022 年进行产品流片,于 2022 年提供产品样, 于 2023 年实现产品量产。

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2022 FPGA生态峰会开启在即!


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