2021年中国FPGA芯片现状及趋势分析,头部受益国产替代加速「图」

一、FPGA产业概述

1、产业概述

FPGA,现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array),是基于通用逻辑电路阵列的集成电路芯片,其最大的特点是芯片的具体功能是在制造完成以后由用户配置决定,因此得名“现场可编程”。用户配置通过 FPGA 专用 EDA 软件实现,软件接受用硬件描述语言描述的用户功能,编译生成二进制位流数据,最后将位流下载到芯片中实现用户描述的功能。

FPGA产业地位

FPGA产业地位

资料来源:公开资料整理

2、分类对比

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。

FGPA在各类AI芯片中的优劣势对比

FGPA在各类AI芯片中的优劣势对比

资料来源:公开资料整理

三、FPGA上下游影响分析

1、上游端

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,目前国内EDA软件和IP相对薄弱,本土厂商使用的EDA软件和IP基本都是依靠国外授权。经过验证可复用的成熟IP模块使芯片设计公司无需独立完成芯片上所有IP的设计,可以将更多资源集中在打造核心产品竞争力的研发中。据数据,英国ARM公司和美国新思科技2020年以41%、19.2%的高市占率稳居全球CR2位置,中国大陆仅有芯原股份以2%的全球市占率挤进前十名。

2020年全球半导体IP供应商市占率

2020年全球半导体IP供应商市占率

资料来源:IPnest,华经产业研究院整理

从全球市场竞争格局来看,EDA行业呈现明显的寡头趋势。全球EDA市场被Synopsys ( 新思科技)、Cadence ( 楷登电子)和西门子EDA主导,三家厂商的市场份额估计超过70%。从产品和服务情况看,新思科技、楷登电子竞争力比较强,能够覆盖电子设计全部流程;西门子EDA在PCB (印刷电路板)设计工具领域的优势明显。从国内来看,国际三大EDA巨头新思科技、楷登电子和西门子EDA在国内市场占据明显的头部优势,国产龙头华大九天占比4.8%左右市场份额。

2020年全球和中国EDA市场格局情况2020年全球和中国EDA市场格局情况

资料来源:公开资料整理

2、下游结构

就下游应用结构而言,FPFA芯片作为适用性,下游应用广泛,通信和工业为主要应用领域。数据显示,2020年通信领域和工业领域占据了FPGA73%的应用市场,其中通信领域应用最广,主要得益于 FPGA 内部结构特点可以实现分布式的算法结构,无线通信中的高速数字信号处理十分有益,可以有效地实现大量滤波运算的乘和累加操作。

2020年中国FPGA应用结构占比2020年中国FPGA应用结构占比

资料来源:弗若斯特沙利文,华经产业研究院整理

三、政策背景

虽然集成电路全球化分工日益严重,中美半导体领域持续竞争背景下,我国集成电路技术突破受到美国的持续封锁,为避免像中芯国际和华为等先进制程突破受影响,集成电路产业链整体国产化是我国集成电路突破封锁的关键,政策推动背景下,我国集成电路国产化进程持续加速,逻辑电路作为集成电路产品关键领域受益快速突破,而FPGA 相较CPU和GPU技术要求相对较低,国产化速度更快。

近年来中国集成电路政策

近年来中国集成电路政策

资料来源:公开资料整理

四、中国FPGA产业现状

随着下游通讯和工业领域需求稳步发展,新兴领域如汽车电子等领域高速扩张,我国FPGA芯片市场规模整体表现为快速增长,数据显示2020年我国FPGA芯片市场规模达150.3亿元,同比2019年增长16%。就趋势而言,随着5G基站和AI领域持续发展,FPGA有望受益持续高增速发展。

2016-2021年中国FPGA芯片市场规模及预测2016-2021年中国FPGA芯片市场规模及预测

资料来源:公开资料整理

1、产品结构

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。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研发出28nm FPGA产品的公司,就市场结构而言,目前FPGA芯片28nm仅在2成以上,仍有较大渗透空间。

中国FPGA市场细分芯片制程结构

中国FPGA市场细分芯片制程结构

资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国FPGA芯片行业市场深度分析及投资规划建议报告

五、FPGA竞争格局

1、市场集中度

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。国内主要的FPGA企业为安路科技、复旦微电子、成都华微、紫光同创等,其中FPGA占比国内市场份额6%左右。

中国FPGA芯片市场竞争格局占比

中国FPGA芯片市场竞争格局占比

资料来源:安路科技招股书,华经产业研究院整理

Xilinx、Microchip、Lattice 均为全球领先的 FPGA 企业,赛灵思(Xilinx)作为全球FPGA龙头,主流制程已从28nm工艺制程的芯片产品向16nm的Ultrascale+系列聚集,并在7nm工艺制程上推出了量产Versal芯片产品,技术领先全球,毛利水平最高,虽然近年产业竞争加剧背景下小幅度下降,仍在65%以上;莱迪斯半导体(Lattice)主要产品包括通用型FPGA、视频桥接FPGA等,毛利水平略低于赛灵思;微芯科技从事FPGA业务子公司Microsemi专注于高性能模拟和混合信号集成电路及高可靠性半导体设计、制造,毛利水平略高于莱蒂思,安路科技虽然技术水平仍有差距,但国内市场整体占据成本和竞争优势,毛利水平可达同一水平。

2018-2021年H1全球主要企业和安路科技毛利对比

2018-2021年H1全球主要企业和安路科技毛利对比

资料来源:安路科技招股书,华经产业研究院整理

2、主要FPGA国内企业现状对比

安路科技的28nm制程FPGA已经量产,是国内首批具有28nm FPGA芯片设计和量产能力的企业,且已开展FinFET工艺产品预研工作。复旦微电子在2018年推出了采用28nm制程工艺的亿门级FPGA产品,其SerDes传输速率最高达13.1Gbps,已向国内数百家客户发货。紫光同创的Titan系列(40nm)、Logos系列(40nm)均实现了量产与商业化,采用28nm制程的千万门级(4000万)FPGA量产工作也在推进过程当中。

国内主要FPGA企业技术水平

国内主要FPGA企业技术水平

资料来源:公开资料整理

2021年安路科技FPGA整年营收6.79亿元,同比2020年增长141.44%,其中FPGA产品营收占比95%左右,安路科技FPGA产品可分为EAGLE 系列、ELF 系列和PHOENIX系列,其中前两种价格较低均价在14-17元/颗,整体销量较高,PHOENIX系列面向高性能可编程逻辑市场,销量相对较低,价格在170元/颗左右。

2021年安路科技FPGA细分产品销量及营收

2021年安路科技FPGA细分产品销量及营收

资料来源:安路科技公报,华经产业研究院整理

六、FPGA发展趋势

1、先进制程需求持续增长

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。

2、国产替代加速

我国半导体整体发展较全球先进水平较晚,高端芯片设计研发人才、设备、材料皆相对落后,尤其是集成电路设计领域高端设计人才是技术突破的核心,目前国内头部企业如紫光同创和复旦微电背靠国内优秀大学,具备较强的人才资源优势,有望借此填补高端人才劣势,随着国内集成电路政策持续推进,FPGA产业有望受益加速国产替代,尤其是头部企业将快速发展。

华经产业研究院对中国FPGA芯片行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国FPGA芯片市场规模现状及投资规划建议报告》。

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责任编辑:左小蕾_HN368
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