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国产FPGA的机会与挑拨

2019-11-15 115 分享
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  FPGA是可能先置备再计划的“全能”芯片。FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,是正在硅片上预先计划告终的拥有可编程性情的集成电道,它可能遵从计划职员的需求装备为指定的电道构造,让客户不必依赖由芯片创造商计划和创造的ASIC芯片。广博操纵正在原型验证、通讯、汽车电子、工业限度、航空航天、数据中央等范围。

  FPGA 硬件三大目标:造程、门级数及 SERDES 速度,配套 EDA 软件器械同样紧要。斗劲 FPGA 产物可能从本领目标入手。从 FPGA 内部构造来看,要紧包含:可编程输入/输出单位(I/O)、可编程逻辑块(LC)、 完美的时钟打点(CMT)、 嵌入块式 RAM(BRAM)、 布线资源、内嵌的底层功用单位和专用硬件模块等。

  遵照赛灵思披露的数据,一个LUT6等效1.6个LC,一个LC对应几十到上百“门”, 1000万门约等于10万LC,即100K CLB级别FPGA。与ASIC差别的是,客户正在选购FPGA产物不单探求硬件参数,配套EDA软件的功能也同样紧要。目前国内厂商高端产物正在硬件功能目标上均与赛灵思高端产物有较大差异。

  有关于ASIC,FPGA拥有 3 点上风:(1)可编纂,更伶俐、(2)产物上市时刻 短,减削了 ASIC 流片周期、(3)避免一次性工程用度,用量较幼时拥有本钱优 势。

  (1)伶俐性:通过对 FPGA 编程,FPGA 可能履行ASIC可能履行的任何逻辑功用。FPGA的奇异上风正在于其伶俐性,即随时可能蜕变芯片功用,正在本领还未成熟的阶段,这种特功能够消浸产物的本钱与危险,正在5G初期这种性情尤为紧要。

  (2)上市时刻:因为FPGA买来编程后既可直策应用,FPGA计划无需守候三个月至一年的芯片流片周期,为企业争取了产物上市时刻。(3)本钱:FPGA与ASIC要紧区别正在ASIC计划有固定本钱而FPGA计划简直 没有,正在应用量幼的时间,FPGA 计划因为无需支出一次性百万美元的流片本钱, 同时也不消承受流片式微危险,FPGA计划的本钱低于ASIC,跟着应用量的增多, FPGA计划正在本钱上的上风逐步缩幼,胜过某一应用量后,ASIC计划因为大批流 片发作了范围经济,正在本钱上更有上风。

  史册:1985年赛灵思发现FPGA以还,其容量抬高了一万倍以上,速率抬高了一 百倍以上,价钱和能耗缩幼了一千倍以上。受到优秀造程迭代的饱舞,FPGA的架构持续更新。1985年,Xilinx公司推出了环球第一款FPGA产物 XC2064,采 用2μm工艺,包蕴64个逻辑模块和85,000个晶体管,门数目不堪过1000个。比照2016年赛灵思颁发的VIRTEX UltraScale,16nm造程,体系逻辑单位最高达378万个。FPGA造程迭代正在抬高算力的同时消浸了功耗,减幼了芯局部积,饱舞了FPGA的功能擢升。

  来日:正在本领趋向上,造程迭代+平台产物将是来日产物兴盛目标。咱们已经看 好优秀造程带给FPGA的功能擢升,同时新的产物形状(平台型产物)的显示让FPGA功能有了进一步擢升的可以。Xilinx和Intel接踵颁发ACAP和Agilex 平台型产物,遵照Xilinx披露的数据,新的平台型产物速率胜过目下最高速的 FPGA 20倍、比目前最疾的CPU疾100倍,该平台面向数据中央、有线G无线和 汽车驾驶辅帮操纵。产物发扬方面, 2019年6月19日Versal AI Core及Versal Prime系列组件幼范围出货,量产时刻估计正在2019下半年。

  本领壁垒高:半个IC计划公司+半个软件公司,硬件构造丰富且良率低,软硬协

  同再提研举事度。FPGA企业的硬件拓荒局限属于榜样的 IC 计划企业,与通常 IC 计划企业差别的是,因为FPGA硬件须要配套EDA软件一同应用,FPGA 公司通 常须要自行研发适配自家硬件的EDA软件,因而也算半个EDA软件公司。因为FPGA国畿及布线丰富,硬件计划难度较大,加之软件和硬件协同拓荒,体系工 程的难度再升级。

  中央专利被头部公司垄断,国产厂商含辛茹苦贫乏前行,专利有用期结果或带来 起色。正在专利上表洋厂商目前吞没绝对上风,Xilinx和Altera正在FPGA范围的专利数近10,000个,而国产厂商如紫光同创专利数仅约200项,相差悬殊。来日跟着局限专利的有用期结果,及国产厂商正在新专利上的打破,专利上的垄断式样或 迎来起色。

  半导体家产链国产化水准低,国产当自强。家产链 角度来看,硬件家产链中目前自帮可控水准较低,更加正在高端半导体筑造和质料范围,来日家产链上下游国产取代历程的饱动也将帮力国产FPGA加快兴盛。硬件局限上游:EDA+IP。硬件拓荒用的EDA仍是Cadence、Synopsys 及Mentor Graphics,IP源泉包含表部授权和内部拓荒。硬件局限下游:代工场+封测。个中代工场国内厂商要紧与台积电及中芯国际协作,封测要紧和日月光等协作。

  FPGA是集成电道大家产中的幼范围,5G和AI为行业伸长供应确定性,国产替

  代叠加行业伸长,国产FPGA墟市起飞期近。遵照WSTS的数据,2018年环球 集成电道墟市范围到达4,688亿美元,同期环球FPGA墟市范围约63亿美元,仅 占集成电道墟市约1.34%。墟市虽幼,但来日受益于5G基本步骤环球结构及 AI本领延续兴盛,FPGA行业需求量伸长具确定性。行业伸长下,国产取代历程将 进一步加快国产FPGA的伸长。遵照中国半导体行业协会的数据,2017 年国内FPGA墟市国产率低于 1%,跟着本领打破,国产FPGA起飞期近。

  环球FPGA墟市范围延续攀升,亚太是FPGA要紧墟市,来日家产兴盛可期。根 据Gartner的数据,环球FPGA墟市范围2019年到达69亿美元,2025年到达 125亿美元,来日墟市增速稳中有升。亚太区占比到达42%,是FPGA要紧墟市,中国FPGA墟市范围约100亿群多币,来日跟着中国5G安顿及AI本领兴盛,国内FPGA范围希望进一步放大。

  表洋三巨头吞没90%环球墟市,国产厂商且自落伍。FPGA墟市展现双寡头垄断 式样,Xilinx和 Altera分辨吞没环球墟市56%和31%,正在中国FPGA墟市中,占 比也高达52%和28%,因为本领、资金、人才上的壁垒及FPGA量产带来的范围经济,行业指引者位子较为安靖。国产厂商目前正在中国墟市占比约 4%,来日跟着国产厂商本领打破,FPGA范围国产取代或将是百亿级的机缘,取代空间辽阔。

  通讯、消费电子、汽车是FPGA下游存量操纵场景,墟市范围延续伸长。因为有关于ASIC的三方面上风(伶俐性、本钱),FPGA的下游操纵场景较为丰裕,包含:ASIC原型计划、汽车、收发器、消费电子、数据中央、高功能计 算、工业、医疗、测试/衡量、有线/无线通讯等。个中通讯、消费电子和汽车是要紧操纵场景,2017年三块场景FPGA需求占总需求比例到达 79.4%,墟市范围延续放大。

  操纵场景会连结分离的式样,ASIC正在本钱上的范围经济局部了FPGA操纵场景的荟萃度,FPGA不成取代性奠定墟市基本。因为ASIC拥有分明的范围经济,当简单芯片产物用量极大时(通常为胜过10万片) ,应用ASIC计划将有本钱上风,因而 FPGA 的操纵场景被局部正在了用量幼、本领担心靖、伶俐性需求高的范围,一朝本领成熟且需求放量,终端厂商就会探求ASIC计划取代FPGA计划来消浸本钱。但因为FPGA正在用量幼、本领担心靖及伶俐性需求高的范围拥有不成取代性,FPGA的墟市基本牢固,来日量的伸长要紧看新本领带来的新周期。

  国产FPGA厂商产物下游操纵场景更侧重消费电子,来日正在通讯墟市的伸长值得守候。遵照Xilinx的年报,2019财年(财年结日为2019年3月30日)其产物终端操纵场景及占比为通讯(36%)、工业航空及国防(28%)、数据中央及封测医疗仿线%)、汽车播送及消费电子(15%)。而国产FPGA厂商因为产物功能相对落伍,正在高端民用范围且自不拥有逐鹿力,但正在LED显示、工业等范围出货量较大。跟着国内厂商本领打破,来日正在通讯墟市份额的抬高将开启国产FPGA厂商伸长。

  FPGA是5G基本步骤和终端筑造的零部件,5G环球安顿延续饱动,基站、IoT、 终端筑造、边沿揣度的FPGA用量将明显擢升。通讯是FPGA下游操纵场景中范围最大的分支,遵照MRFR的数据,FPGA通讯墟市范围 2017年达 23.5亿美元, 占集体FPGA操纵墟市比例超40%,2017-2025年CAGR估计 8%。环球5G基本 步骤装备历程下,FPGA行动中央零部件,用量也会随之擢升,5G操纵中,IoT、 终端筑造及边沿揣度范围的FPGA需求也将伸长。来日正在通讯墟市的伸长拥有确定性。

  比拟较CPU和GPU,通讯范围FPGA正在I/O 、运算速率及延迟上均拥有上风。正在5G装备初期,FPGA可能被用于基站天线G时期Massive MIMO本领让收发通道数从16T16R抬高到64T64R以至128T128R,FPGA可能用于多通道信号波束成形。目前业界正在FPGA和ASIC计划的挑选上拥有区别,京信通讯等公司采用越发伶俐的FPGA计划。

  以一个64通道毫米波MIMO全DBF收发器为例,如图收发器分为两局限,左半 局限为中频&基带子体系,谅解Xilinx的Kintex-7 FPGA;右半局限为毫米波收发器射频前端,谅解中频振荡器及电源打点模组等。每一个基带子板(baseband daughter board)中都拥有一块Xilinx’s Kintex-7 FPGA,2个双通道12-bitADC,1个4通道16-bit DAC,2个QSFP+光接口用于通用无线G时期,FPGA面对价提量升。

  价提:FPGA要紧用正在收发器的基带中,5G时期因为通道数的增多,揣度丰富度增多,所用FPGA的范围将增多,因为FPGA的订价与片上资源正联系,来日通讯范围FPGA单颗本钱也将上升,目前基站收发器中的FPGA单价一般正在几百 元群多币的鸿沟,来日希望进一步抬高。收发器的要紧本钱和功耗由基带局限功劳,来日本领丰富度将再次推升收发器本钱,进而传导到基站AAU价钱上升。

  量增:5G带来的出货量抬高源泉于两方面:1. 通讯基站数目抬高策动FPGA 零部件用量抬高。5G初期基站铺设数目环比抬高,另一方面因为5G信号衰减较疾, 幼基站需求量浩瀚,来日十年希望超1000万座,同比4G时间伸长分明。2. 单基站FPGA用量抬高策动FPGA通讯墟市用量集体抬高。因为5G Massive MIMO的高并发处罚需求,单基站FPGA用量希望从 4G时间2-3块抬高到5G时间4-5块,将策动FPGA集体用量。

  汽车半导体389亿墟市范围,FPGA目前仅占2.4%,自愿驾驶兴盛将抬高 FPGA代价占比。汽车芯片分为主控芯片和功用芯片(MCU)。主控芯片包含 GPU、 FPGA、 ASIC 等,FPGA正在汽车多个范围都有操纵,更加正在相机和传感器中的操纵仍旧相 对成熟。遵照Bloomberg数据,汽车半导体墟市范围 2017年到达388.6亿美元, 个中FPGA为9.5亿美元,占比仅2.44%。FPGA 依托其伶俐性及并行处罚才智, 正在汽车的摄像头及激光雷达范围操纵广博。自愿驾驶本领的兴盛将抬高FPGA正在汽车半导体中的代价占比。

  FPGA巨头抢道智能驾驶,L5级产物值得守候。目前赛灵思结构要紧正在L1-L3, NAVIDA和Intel的最新系列产物剑指L5统统自愿驾驶。然而因为计谋影响加上自愿驾驶事情频发,尽管本领到达L5级别,仍无法正在环球道道上告终L5操作。2018年赛灵思完毕对深鉴科技的收购晚进一步巩固其正在汽车范围的结构。目前赛 灵思的FPGA自愿驾驶处置计划的客户包含百度、

  、中科慧眼、元橡科技、纵目科技等。截至2018年,赛灵思的产物正在29个OEM品牌的 111种车型上获得了操纵。正在激光雷达芯片范围,赛灵思占领约 90%的墟市。

  FPGA 正在来日汽车中要紧操纵正在ADAS/AD体系、马达限度、激光雷达、车载新闻文娱体系和驾驶员新闻体系,发展空间可期。以FPGA巨头Xilinx为例,赛灵 思正在汽车上仍旧酿成了自天生熟的闭环的生态体系,供应从高级驾驶员辅帮驾体系(ADAS)、自愿驾驶(AD)、激光雷到达车载新闻文娱体系(IVI)和驾驶员新闻(DI)的全方面维持。ADAS/AD范围是赛灵思来日中永远的伸长点。而汽车级ACAP 平台的推出则是告终自愿化驾驶L4的基本。来日智能驾驶本领逐步成 熟,FPGA用量擢升空间浩瀚。

  数据中央逻辑芯片是百亿美元墟市,低延迟+高模糊奠定FPGA中央上风。遵照 Intel披露的数据,数据中央范围逻辑芯片墟市范围2017年达25亿美元,2022 年希望到达80-100亿美元。数据中央FPGA要紧用正在硬件加快,比拟GPU,FPGA正在数据中央的中央上风正在于低延迟及高模糊。微软Catapult项目正在数据中央应用FPGA庖代CPU计划后,处罚Bing的自界说算法时疾出40倍,加快成绩明显。数据中央对芯片功能有较高央求,硬件即任职形式下,来日更多半据中央接受。

  FPGA因为其伶俐性及高速运算才智,正在AI加快卡范围操纵广博,遵照 Semico Research的数据,AI范围FPGA墟市范围2023年希望达52亿美元,比拟于目前63亿美元的FPGA墟市,AI范围的操纵不成幼觑。

  FPGA正在AI范围处罚效果及伶俐性拥有明显上风,来日陪伴AI本领兴盛迎来增 长。正在加快二值化神经汇集(BNN)中斗劲FPGA、CPU、GPU 和ASIC,FPGA供应了胜过CPU和GPU的效果。尽管CPU和GPU供应顶峰表面功能,它们也没有获得有用使用,由于BNN依赖于更适合定造硬件的二进造bit级操作。纵然ASIC已经更高效,但FPGA拥有更高的伶俐性,无需锁定固定的ASIC处置计划。

  环球FPGA墟市正在5G和AI两大驱动因子下来日估计享有稳重伸长,而目前国内 100亿群多币墟市中,国产厂商占比仅4%,国产率极低。来日跟着国产FPGA 厂商本领打破,国产取代历程下,取代厂商增速希望明显高于行业均匀,估值和 功绩希望双增。咱们以为国产取代仍是FPGA行业投资主线,发起闭心国产FPGA厂商及其联系公司的投资机缘。

  、安道科技、 智多晶、高云半导体、上海复旦微电子和京微齐力。目前营收范围均较幼,国产FPGA目前还处于起步期,专利数和表洋企业有较大差异。产物角度来看,国产FPGA正在硬件功能目标上也远落伍于Xilinx及Altera。近年来国产FPGA虽落伍但追逐进度较疾,继紫光同创拓荒出中国唯逐一款自处产权切切门级高功能FPGA PGT180H以还,上海复旦微电子于2018年5月正在第二届中国高校科技成绩营业会上颁发了新一代自帮学问产权亿门级FPGA 产物, 新产物,填充了国内超大范围亿门级FPGA的空缺。来日跟着更多企业本领打破,国产取代历程将延续饱动。

 
 
 
 
 

 

 

 
 

 

 

 
 
   
 
 
   
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