2022年FPGA行业发展趋势分析 复旦微电FPGA技术国内领先

FPGA 是现场可编程门阵列，在 1985 年由赛灵思的创始人 Ross Freeman 发明。指一切 通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电 路。FPGA 是在 PAL（可编程逻辑阵列）、GAL（通用阵列逻辑）、CPLD（复杂可编辑 逻辑器件）等可编程器件的基础上发展而来作为 ASIC 领域的一种半定制电路。

FPGA 类似于集成电路中的积木，使用时可按用户自身需求和想法进行拼搭，形成不同功 能和特性的电路结构，适应不同场景的应用需求。目前随着 5G 和 AI 持续推进，FPGA 全 球市场规模保持高增，根据 Frost&Sullivan 数据，2021 年全球 FPGA 市场规模为 68.6 亿美 元，2025 年有望达到 125.8 亿美元，CAGR 为 16.4%。中国 FPGA 市场规模 2021 年为 176.8 亿元，目前占到全球市场比重为 40%，到 2025 年能够达到 332.2 亿元，CAGR 为 17.1%， 市场份额上升至 42%。

5G 网络通信领域对 FPGA 需求量不断上升。由于 5G 通讯对基站射频芯片的连接速度、 低延时、连接密度、频谱带宽等方面有更高要求，且新增的一些 5G 关键技术的迭代升级 时间较长、技术不确定性较大， ASIC 芯片性价比低，这为 FPGA 应用于 5G 领域提供了 时间窗口。Frost&Sullivan 数据显示，2021 年中国通信领域的 FPGA 规模达到 73.6 亿元， 约占中国 FPGA 市场规模的 42%，近年来中国通信 FPGA 市场规模增速在 15%以上。

政策支持 5G 技术推进。我国高度重视5G技术的研究，近些年来不断推出 5G支持性政策， 2020 年 2 月，工业和信息化部发布《关于推动 5G 加快发展的通知》，强调加快 5G 网络 建设进度；《国家“十四五”规划纲要》提出，加强原创性引领性科技攻关和关键数字技术 创新应用，建设现代基础设施体系。在一系列的政策支持下，我国 5G 基站建设持续推进。

我国 5G 基站数量连年攀升，占比全球领先。近三年来我国 5G 基站数量持续上升，目前 中国拥有规模最大、技术最先进的 5G 独立组网络，中国移动、华为等国内企业 5G 核心 研发和网络测试推进顺利，5G 标准必要专利份额我国位于全球第一，2020 年我国 5G 基 站数量占全球七成，2021 年我国已建成 5G 基站 142.5 万个。

未来 5G 基站数量有望超 800 万个。根据联通网络技术研究院专家估计，5G 基站数量可 能达 4G 基站的 1.5-2 倍，2021 年我国 4G 基站数量已经超过 586 万个，保守估计 5G 基站 数量在未来能够达到 4G 基站数量的 1.5 倍，则我国 5G 基站数量有望超过 850 万个。我国 各省份公布的政府政策显示，2022 年各省份规划建设 5G 基站的数量均大幅上升，其中广 东省计划建成 5G 基站数量最多，计划建成 22 万个 5G 基站。据智讯咨询的分析，每年 5G 基站数量能够按照 63.6%的复合增长率上涨，预计到 2025 年中国 5G 基站数量将达到 800 万个左右。

基站中 FPGA 使用量增长。5G 基站数量增多对 FPGA 需求的增加主要有两方面，首先是 因 5G 通信基站数量的增多而提高对 FPGA 零部件的需求，价值量上升，其次是 5G 单基 站的 FPGA 用量增大，4G 时代的单基站 FPGA 的用量在 2-3 块，由于 5G 通道数大幅增加， 设备对逻辑控制、接口速率要求提高，5G 时代单基站的 FPGA 用量有望提升至 4-5 块。

灵活配置特点赋予 FPGA 优势，低固定成本使 FPGA 生产更具灵活性。FPGA 是基于通 用逻辑电路阵列的集成电路芯片，该类芯片最大的特点是在制造完成后其具体功能由用户 配置决定。在成本端，ASIC 有较高固定成本，而 FPGA 具有优势，在产量规模小的情况 下，FPGA 无需支付一次性的大额流片成本。

具备灵活性和高处理效率的 FPGA 在人工智能领域成为主流发展趋势。人工智能领域作 为加速计算的分支，同样要求低延时性和并行性，FPGA 在人工智能领域有高处理效率和 灵活性的优势，与 ASIC 等其他竞品来看，FPGA 灵活性更强、系统扩展性较好、并行运 算加速表现出色，且 FPGA 产品的开发周期相对较小，又能够与 CPU 搭配起到加速卡的 作用，在相同性能下比 GPU 的单位能耗低，因此 FPGA 在人工智能领域是更优选择。目 前，CPU+FPGA+AI 或者 CPU+FPGA+GPU 融合架构的 PSoC 芯片兼具了 SOC 的灵活性和 通用性、FPGA 的硬件可编程性和专用 AI 加速核或 GPU 的的高效性，有极好的能效加成， 因而逐渐成为主流发展趋势。

国内外 FPGA 应用于人工智能领域市场规模呈现增长。根据 semico Research 的数据，人 工智能领域内的 FPGA 市场需求量未来五年 CAGR 达 38.4%，2023 年市场规模有望达到 52 亿美元，相对于目前 60-70 亿美元的 FPGA 市场，AI 领域内的 FPGA 市场规模不容忽 视。根据 Frost&Sullivan 数据，我国人工智能领域的 FPGA 用量未来将保持 12%-20%的增 长率持续上涨，预计到 2025 年能达到 12.5 亿元的规模。

特种集成电路对芯片的温宽、抗腐蚀能力、封装形式乃至体系架构等有不同的输入型要求， FPGA 应用到特殊温度、湿度、压力、安全等环境中具有一系列优势。第一，FPGA 可靠 性较高，在特殊处理后可以适应特殊环境中的各种恶劣条件；第二，FPGA 能够减少系统 设计的复杂度，减小板级电路上 PCB 布线不当带来的电磁干扰，保证电路性能；第三， FPGA 修改灵活，后期可根据实际情况进行调整或扩展。基于以上优势，FPGA 在特种集 成电路中有广阔前景。世界第一大 FPGA 厂商赛灵思的财务报告中显示，最大的业务板块 是 AIT（宇航与防务、工业与检测、测试与测量），2021 年 AIT 收入约 14 亿美元，在营 收中占比 44%。未来中国 FPGA 工业领域市场规模也将不断上升，持续推动特种集成电路 领域的 FPGA 市场。

FPGA 营收和销量持续增长。公司近三年来 FPGA 芯片营业收入不断提升，2021 年公司 FPGA 实现营收 4.27 亿元，主要原因为亿门级 FPGA 和 PSoC 产品持续放量，同时快速导 入终端客户。

公司加大通信领域 FPGA 占比， FPGA 定价大幅上涨。在均价上，2019 年 FPGA 均价呈 下降趋势，主要原因为公司积极拓展单价相对较低的通信、工业控制等应用领域，导致 2019 年 FPGA 及其他芯片整体均价下降至每颗 2.27 元，自 2020 年公司 FPGA 均价大幅提升， 2021 年均价涨至 7.49 元，由于 5G 时代对通道数和计算复杂度的要求增加，未来 FPGA 的均价有望进一步提高。

FPGA 毛利率远超公司其他业务。FPGA 芯片由于存在高技术门槛，研发周期长，所需研 发投入也比较高，因而产品的定价显著高于其他芯片，毛利率远远领先公司其他业务，单 FPGA 芯片来看，近些年毛利率均在 95%以上。

28nm、14/16nm 等先进制程 FPGA 市场空间大。相对于 28nm 以上制程的 FPGA，28nm、14/16nm 工艺制程的 FPGA 具有制程优势，具有功耗较低、面积较小、计算能力等优势， 这些优势将进一步推动先进制程 FPGA 在通信设备、自动驾驶等领域的应用，并且随着 5G 时代通信设施的部署、汽车辅助驾驶技术的成熟、不断增长的数据中心需求、人工智 能领域的开拓创新，以及要求的高速率、超精密的技术，28nm、14/16nm 工艺制程 FPGA 将获得更大的市场空间。

国内突破 28nm 工艺制程 FPGA 的公司较少。不同 FPGA 工艺节点对应不同的主流应用场 景，国际第一大 FPGA 厂商赛灵思将 28nm 以上制程产品均定义为先进产品，目前国内能 够实现 28nm 工艺节点 FPGA 量产的公司较少，市场的主要份额仍由赛灵思等行业龙头占 领。国内的 FPGA 厂商主要有 8 家：复旦微电、紫光同创、国微电子、安路科技、成都华 微电子、智多晶、高云半导体、京微齐力，目前所有国产厂商在国内市场的营收份额占比 很少，而复旦微电是国内首家推出亿门级 FPGA 产品的公司。

市场和技术国外垄断，急需国产替代。全球的 FPGA 市场几乎被三大巨头 Xilinx，Altera （被 Intel 收购），Lattice 垄断，他们在硬件设计和高端的 EDA 软件设计上都形成极强的技术封锁，其他厂商进入市场有软硬件双重难度。且国外企业起步较早，Xilinx、Altera、 Lattice 等公司通过近 9000 项专利构筑了牢固的知识产权壁垒，并形成了非常强大的产业 生态链，巨头厂商的全球市场占有率达到了 90%以上，国内市场急需国产替代。目前，由 于 FPGA 的推广需经历从 Design in 到 Design win，再到批量销售的过程，周期相对较长。

公司有望受益于国产替代加速进程。我国 FPGA 研发基础相对薄弱，研发人员稀缺。美 国头部厂商 Intel，Xilinx，Lattice 研发相关人才近万人，由于发展较晚，中国 FPGA 设 计研发人才匮乏，国内头部厂商人才缺乏，成为制约中国 FPGA 行业技术发展和产品升 级的核心因素。但国内头部企业如紫光同创背靠清华大学，复旦微电背靠复旦大学，具备 较强的人才资源优势。公司目前已经开启 14/16nm 工艺制程的 10 亿门级 FPGA 产品的研 发进程，填补了国产高端 FPGA 的空白，有望在未来受益于国产替代机遇。

目前公司亿门级 FPGA 推进顺利，已向国内数百家客户导入产品。复旦微在 2018 年发布 了采用 28nm 工艺制程的亿门级 FPGA 产品，产品包含 700k 左右容量的逻辑单元，SerDes 模块最高支持 13.1Gbps，2019 年向市场导入亿门级 FPGA 产品，2020 年公司的前五大客 户中，四家已购入公司亿门级 FPGA 产品，获得了下游客户的普遍认可。截止 2021 年 2 月底，基于 28nm 工艺制程的 FPGA 产品已有 229 家客户，客户分布在通信、工业控制及 高可靠领域。

公司持续进行研发创新，28nm 制程的 PSoC 芯片和 14/16nm 制程的十亿门级 FPGA 产品 逐步放量，继续为国产 FPGA 先进技术的突破贡献力量。公司的青龙系列产品目前逐步出货，是国内首款推向市场的嵌入式可编程 PSoC 产品，工艺制程为 28nm，内嵌大容量 自有 eFPGA 模块，并配置有 APU 和多个 AI 加速引擎，可广泛用于高速通信、信号处理、 图像处理、工业控制等应用领域。目前复旦微是国内唯一的国产 28nmPSoC 供应商，由于 公司 PSoC 产品能耗表现较好，目前产品市场反响良好，后期公司会逐步升级产品性能， 能够应对更多、更复杂的应用场景要求，产品竞争力将进一步提高，相关产品市场拓展的 困难较小。公司目前开启了 14/16nm 工艺制程的十亿门级 FPGA 产品的研发进程，相关产 品预计将于 2021-2022 年进行产品流片，计划 2022 年提供产品初样，2023 年能够实现产 品量产，继续为国产 FPGA 先进技术的突破贡献力量。

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