国产化浪潮中的国产FPGA

FPGA技术江湖 2023-04-12 08:03

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从863项目开始，我国启动自主创新，到2006年国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，启动“核高基”项目，即核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品，我们国家一直很重视信创（信息技术应用创新）产业。由于基础学科的薄弱及相关专利的限制，我们的国产化进程并不顺利。再加上管理方面的一些问题，出现了汉芯造假等各种腐败案件，让我们的国产芯片研发踩了不少巨坑，大大延缓了整个信创产业的发展，导致一些重要领域还不得不使用国外科技巨头的产品。以高端芯片为例，国产化率还非常低：

2018年中兴事件及2019年开始，美国政府开始限制美国公司向我国的华为等70家公司出售零部件或先进技术，多家科技巨头随即减少了与华为的合作，特别是台积电受美国政府胁迫，不再为华为代工高端移动处理器芯片，直接掐死了华为手机业务。在如此严峻的国际环境中，我们的国产化替代变得更加迫切。特别是CPU，GPU，FPGA及各种存储类器件，需要加快国产化替代的进程，在国家安全、政府、军工领域实现全面替代，在民用领域也能扩大市场占有率。

2022年9月底，国资委下发的79号文件，全面指导并要求国央企落实信息化系统的信创国产化改造。其中，明确要求所有中央企业在2022年11月底前将安可替代总体方案报送国资委；自2023年1月起，每季度末向国资委报送信创系统替换进度。最终要求2027年底前，实现所有中央企业的信息化系统安可信创替代。受益于信创概念，市场普遍认为，未来五年是 “大信创” 发展的关键时期，发展空间广阔。本文将聚焦于FPGA这类特殊器件，重点阐述FPGA的市场空间及国产FPGA的技术发展情况。

FPGA市场概况

作为可编程的半定制器件，FPGA 在现场可重复编程能力、更短的产品上市时间、项目周期可预测性更强、小批量上成本低等方面具有很大优势。在5G通信基础设施，工业控制领域，新能源汽车及数据中心机房都有大量使用。根据Frost & Sullivan的数据，2021年，全球FPGA芯片产业规模约为68.6亿美元，同比增长12.8%。预计到2025年，市场规模将达到125.8亿美元。

就国内市场来说，近几年FPGA市场也在持续扩大增长，2021年国内FPGA芯片市场为176.8亿元，2016-2021年的年均复合增长率约为23.1%，远高于同期海外FPGA市场的增长率。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。

全球FPGA市场，主要被海外企业垄断。根据Gartner统计数据，从销售收入来看，2021年Xilinx、Intel、Lattice和Microchip的市占率分别达51%、29%、7%和6%。国内FPGA厂商起步较晚，并且受到技术壁垒及人才短缺的限制，仅在国内的中低端市场获得一些生存空间。主要的国产FPGA厂商有紫光同创、复旦微电子、安路科技等，上述公司2021年在国内市场共占据16%的市场份额，其中安路科技和紫光同创产品结构偏向消费电子、工业控制和通讯等民用领域。

紫光同创

作为上市公司紫光国微的联营企业，紫光同创专注于FPGA芯片设计及其配套EDA开发工具的研发与销售，有10年的可编程逻辑器件发展史。其FPGA产品覆盖4大家族，高中低端7个系列，约50个量产型号，在国产FPGA厂商中，研发实力较强，是中国FPGA民用行业的领军企业，占中国FPGA市场总额的4%（根据摩根斯坦利的数据）。下图为紫光同创发展大事件。

紫光同创于2022年推出的28nm工艺FPGA芯片，已经能支持13.125Gbps的SerDes以及1866Mbps的DDR4，逻辑单元也高达390k。受益于长期高额研发投入，2019~2021年，公司营收从1.02亿元增至7.82亿元，CAGR达到176%。

西安智多晶

成立于2012年，总部位于古都西安，在北京设立有软件研发中心。创始团队曾就职于国外知名FPGA厂商，拥有三十多年行业设计制造经验，并担任多个专业方向的技术带头人。智多晶是一家专注于可编程逻辑电路器件技术的研发、生产、销售的 “国家级高新技术企业” ，并为系统制造商提供高集成度、高性价比的可编程逻辑器件、可编程逻辑器件IP核、相关软件设计工具以及系统解决方案。

目前智多晶拥有四条产品线，分别为162nm CPLD 产品线、55nm内嵌Flash小容量FPGA 产品、55nm中等逻辑量FPGA与28nm 嵌入式FPGA，14nm的产品正在研发过程中。其中28nm高性价比FPGA SA5T-100具有丰富的RAM和DSP资源，在5G小站AAU/RRU上可实现5G-NR 100M带宽的FIR滤波处理，在中频信号处理方面可实现上下变频、预失真和波峰系数降低等功能。此产品集成的高速SerDes能达到12.5Gbps的速率，可实现5G基站的CPRI及eCPRI前传协议，可对标Xilinx的Kintex7系列中的部分FPGA器件。

安路科技

安路科技于 2011 年 11 月在上海成立，2021年在科创板上市。公司前十大股东中国有股东共有 4 位，分别为华大半导体、国家集成电路产业投资基金、上海科创投、深创投集团，持股比例分别为 29.17%、9.78%、5.43%和 2.06%。公司管理层和核心技术人员在半导体及 FPGA 领域深耕多年，具有丰富的半导体及 FPGA 软硬件设计经验。经过多年持续不断的自主研发，公司以优异的产品设计和可靠的量产品质赢得了客户的高度信任。安路科技的FPGA产品主要应用在工业控制、网络通信、数据中心和消费电子等领域，在工业控制领域，公司已成功进入了汇川技术、利亚德、灵星雨等知名企业的供应链；在网络通信领域，公司产品于 2019 年开始导入中兴通讯，是第一批进入中兴通讯供应链的国产 FPGA 企业之一，是国内极少数通过多家国际领先通信设备商认证的合格供应商之一。

从安路科技网站上公开的信息来看，其最高端的FPGA产品PHOENIX 系列也能支持12.5Gbps的高速SerDes以及DDR4@1866Mbps。另外，安路科技的FPSoC 系列产品嵌入了RISC-V 处理器，可实现灵活的系统控制功能，也可以应用于高带宽的视频数据处理和桥接可编程系统芯片市场，为国产替代添砖加瓦的同时，帮助公司2022年实现了扭亏为盈。

复旦微电

复旦微电是A股FPGA芯片龙头，成立于1998年，由复旦大学“专用集成电路与系统国家重点实验室”和上海商业投资公司等联合创办，2000年在香港上市，2021年8月挂牌A股科创板，是唯一的“A+H”两地上市的IC设计公司。经过二十多年的发展，复旦微电子在安全与识别芯片、非挥发存储器、智能电表芯片、FPGA 芯片等领域都有产品推出，广泛应用于金融、社保、城市公共交通、电子证照、移动支付、防伪溯源、智能手机、安防监控、工业控制、信号处理、智能计算等众多领域。复旦微电自2004年开始FPGA研发，曾陆续发布百万门级和千万门级FPGA芯片，2018年Q2推出的28nm亿门级FPGA 产品，也是国内首款。据最新报道，复旦微电子正在开发十亿门级的FPGA，有望在2023年内发布。

复旦微电研发实力强劲，其FPGA产品占国内市场的2%，主要用于特种市场，在芯片的国产替代中不可或缺。2018~2021年，复旦微电子的FPGA营收从1.55亿元增至4.27亿元，器件CAGR高达40.2%，毛利率也超过80%。

除了上述四家，我国还有京微齐力、成都华微、高云半导体等FPGA厂商也在齐头并进，找到了适合自己的发展方向，在国内可编程逻辑器件领域站稳了脚跟。另外还有一家FPGA厂商易灵思（Efinix），在美国加州及中国香港都有 “总部” 。易灵思采用逻辑和路由可以互换的XLR结构，革命性地发明了Quantum架构，使得FPGA的资源利用率大幅提高。相比传统FPGA架构，同样的逻辑资源，可以用更小的封装，功耗也相应降低。其钛金系列16nm工艺的FPGA，能支持到25.8Gbps的SerDes，以及LPDDR4，逻辑资源高达969k。

国产替代空间

2021年，国内FPGA市场占全球的40%，但是自给率仅为17%，增长空间还非常大。随着政府对5G基础设施建设的大力推进，以及人工智能和数据中心、电动汽车、工业物联网的发展，摩根士丹利预测，中国的FPGA市场收入在2025年之前，每年将增长17%，到2025年，国内FPGA市场收入将达到52亿美元。

在当前复杂的国际形势下，出于国家安全考虑，特种应用领域自主可控的重要性排在了首要位置，在部队信息化和装备国产化的双轮驱动下，特种FPGA国产化率进程将领先于民用市场，国内厂商的发展机遇将会越来越好。从头部国产厂商近几年的研发投入及营收情况来看，大都进入了收获期。前期的大投入开始为公司带来营收的增长，并逐步实现了盈利，公司发展进入了良性循环的轨道。相信未来几年，我国的FPGA研发人才也会逐渐增加，各个厂商也会继续加大投入，加大创新力度，突破技术壁垒，丰富高端产品线，让国产替代高端化。

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