一紙漲函“烘托”出FPGA芯片市場潛力，芯片界的“萬金油”神在哪里？

近日，AMD向供應鏈客戶發送內部函件，宣布將對旗下賽靈思（Xilinx）品牌的FPGA產品進行漲價。在漲價幅度方面，最低8%，最高25%。目前，該消息已經得到AMD授權分銷商的確認。

而在三季度開始的時候，業界也已經傳出英特爾對于旗下FPGA產品漲價的消息，其中較舊料號漲價幅度為 20%。

FPGA需求缺口在擴大

當然，無論是AMD還是英特爾，兩大巨頭對于FPGA產品的漲價并非是資源壟斷之后的肆意妄為，而是有背后的市場因素在推動。

AMD 在信中表示，導致本次 FPGA 器件價格上調的重要原因是需要加大對現有供應鏈的投資力度，而供應商漲價也是另一方面的原因。英特爾當時的漲價傳聞也指出，漲價是因為供應鏈成本壓力和持續的旺盛需求。

對于FPGA而言，一個較為明顯的成本上漲是因為代工廠漲價，當然英特爾則是因為自己工廠的原材料漲價，比如晶圓。實際上這些成本上升在去年年底就已經給出信號了，比如聯電在一份漲價聲明中提到，2022年8寸晶圓制程漲價5%，12寸晶圓制程漲幅5%到10%；臺積電則是在年初時段被指出，將對8英寸和12英寸制程價格上調10%至20%。實際上，由于物流成本以及晶圓材料漲價，2022年IDM、晶圓代工廠都漲價了，這其中定然也包括英特爾。

再看需求端，根據Susquehanna Financial Group的統計數據，市場主流FPGA交期都達到了52周交期上限內的最大值，這個筆者也在上文中提到了，分銷商網站上對于主流FPGA產品的標注，確實都是生產周期為52周。Susquehanna分析師Chris Rolland在報告中指出，FPGA短缺受影響的主要是網絡、光學和電信設備。

從技術層面來看，推動FPGA需求大漲的背后因素就是5G和AI，如果說到市場層面的話，那就是汽車、數據中心、5G通信和工業。根據Frost&Sullivan的統計數據，2021年全球FPGA芯片的市場規模約為68.6億美元，同比增長12.8%。不要看相較于GPU、CPU、MCU等，FPGA市場規模并不大，但是這個“小而美”的市場卻非常重要。

比如在5G市場，由于5G通信通道數大幅增加，尤其是大規模MIMO里的通道數是此前的數倍到數十倍，因此5G基站單站的FPGA用量就大幅上漲。根據測算，4G基站單站可能只需要1-2塊FPGA，5G基站需要4-5塊，同時5G基站密度大概是4G基站的1.5倍。因此，5G時代，基站對于FPGA的需求量大概就是4G時代的3倍以上。

在AI方面，產業已經進入實質性的落地階段，邊緣AI成為產業發展的重心。而隨著AI和邊緣終端的結合越來越緊密，ASIC的弊端開始顯現。一般情況下，芯片用量需要達到10萬片以上，這樣開發ASIC才能夠有價值。但在邊緣AI領域，大部分市場都達不到這個芯片用量。這部分需求基本都轉向了FPGA，通過對FPGA編程，FPGA能夠執行ASIC可執行的任何邏輯功能，并且無需等待三個月至一年的芯片流片周期。

同時，在廣泛的工業領域，FPGA由于具備接口靈活和可編程的特性，解決了工業AI對于CAN、PCIe、JESD204等多種接口的復雜需求，更提升了工業生產的柔性。在物聯網領域，AIoT理念也是帶來了大量的FPGA需求。

因此，過往產業對于FPGA的定義實際上過于狹隘了，導致FPGA的潛力無法充分釋放，在5G和AI的推動下，FPGA迎來了量價齊升的好時代。根據Frost&Sullivan的研究數據，預計到2025年，全球FPGA市場規模將達到125.8億美元，相較于2021年近乎翻倍。

“萬能”的FPGA芯片

FPGA芯片，又稱“現場可編程門陣列”芯片，其中的“可編程”三個字，正是它“萬能”優勢的集中體現。

常規的硬件芯片，往往依托特定的指令集來實現特定的功能。只需置入到可運行環境，芯片便可以自動運轉，無需操作人員指揮。但作為代價，常規芯片的設計電路以及運行邏輯也因此固定下來。而FPGA芯片則完全不必默守陳規。

完成封裝后的FPGA芯片，僅有內置的獨立邏輯單元，并沒有任何預設的計算功能；此外，FPGA芯片內部的金屬連接線，可經用戶編程，配置成任意的連接方式。

形象地講，接入電路的FPGA芯片，就像一臺新裝系統的個人電腦，你不向它輸入命令，它就原地立正，不做任何動作。而一旦你向它發送編程指令，它可以任由你的操作，在任何電路環境中馳騁。

比如你可以把它變成Pic單片機，作為微處理單元來支持各種大型電子儀器的運轉；你可以將它編輯為驅動器，控制數以萬計的LED；經由編程配置后的FPGA芯片，甚至可以和大型CPU組成異質芯片系統組，進而用于5G、物聯網、人工智能、航空航天等多個領域。

除了適應能力強，值得一提的是，FPGA芯片還有另一個顯著優勢：模仿能力。

由于是用基礎編程指揮硬件運算，FPGA芯片運算不但速度更快，而且可以模擬特定芯片的計算功能。也就是說，FPGA芯片不僅啥都能變，而且變誰像誰！堪稱“芯片界的孫悟空”。

這種無與倫比的泛用性，讓FPGA芯片自1985年誕生起，就受到整個半導體領域的普遍重視。而在經歷幾十年的技術完善之后，FPGA芯片更是被業內公認為當前物聯網革命中的必備半導體器件。

然而，在20年的時間，我國并沒有跟上FPGA芯片技術的東風。

全球FPGA市場直指百億美元 廣闊空間

FPGA近百億美元廣闊市場，受益于數據中心和AI等應用，未來5年增長加速。隨著數據中心建設，人工智能和自動駕駛等新興市場的 加速發展，FPGA需求將持續增長。根據Gartner預測，2020-2026年全球FPGA出貨量從5.11億顆增至8.25顆，CAGR為8.3%；FPGA市場 規模從55.85億美元增至96.9億美元，CAGR為9.6%。


中國FPGA市場規模快速增長

近幾年中國FPGA市場持續擴大增長，整體增速領先全球。根據Frost&Sullivan測算，2020年中國FPGA出貨量達到1.6億顆，市場規模達 到150.3億元。隨著國內AI應用的快速發展以及國產替代進程的進一步加速，中國FPGA市場需求量有望以領先全球的速度持續擴大， Frost&Sullivan預計2021-2025年，中國FPGA芯片出貨量將從1.9億顆增至3.3億顆，CAGR約為15.0%；市場規模將從176.8億元增至332.2 億元，CAGR約為17.1%。


FPGA下游覆蓋領域廣泛，通信和工業為主要應用市場

通信和工業為最大下游市場，汽車市場份額保持上升趨勢。從下游應用市場來看，通信和工業市場份額位居FPGA芯片一二位，同時通 信市場份額有望持續提升，而工業市場則呈小幅下降趨勢。全球軍工、航天FPGA應用市場份額穩定在15%左右。汽車為增長最快速的 下游市場，Gartner預計其市場份額將由2020年的5.9%增至2026年的12.3%。消費電子預計將是FPGA芯片份額最小的下游市場，主要是 因為FPGA雖然以其靈活性適宜于消費電子快速迭代的節奏，但在具有顯著規模效應的消費電子市場，FPGA相比ASIC的成本劣勢明顯 。因此從生命周期來講，FPGA的應用具有一定局限性。


通信是當前FPGA最大的下游市場，未來保持高于平均的增速

通信是目前FPGA規模最大的應用市場，且隨著通訊技術持續的迭代，FPGA應用優勢逐步擴大，市場需求仍將保持高增長。未來幾年 國內外通信FPGA市場規模的復合年增長率均高于FPGA整體，通信市場的應用份額也將穩中有升。根據Gartner數據，2026年全球通信 FPGA芯片市場規模將達到32.3億美元，2020-2026年CAGR為10.4%。Frost&Sullivan預測2025年中國通信應用的FPGA芯片市場規模將達 到140.4億元，2021-2025年CAGR約17.5%。


工業制造智能升級，FPGA或將成為產業快速發展的迭代手段

在加速轉型的工業領域，FPGA大有取代ASIC的趨勢。工業4.0是德國與工業界為制造業制定的未來藍圖，也是工業轉型升級的指路明 燈。工業4.0的大部分應用場景對邊緣智能的硬件加速提出了新的需求，要求更低延遲的數據處理能力。另一方面，新設備需要具有可 重新編程的能力，以應對標準或者協議的演變。此外，智能工廠的建立離不開大數據處理及AI技術的應用。FPGA提供靈活的解決方案 ，因此大有取代ASIC的趨勢，特別是在工業通訊、電機控制、機器視覺、邊緣計算、工業機器人等應用場景。


國產FPGA開始實現替代

雖然起步晚，但受益于龐大的技術人才儲備和半導體市場需求，在短短十幾年的發展中，中國已成功培育出多家FPGA研發企業，如深圳紫光同創、上海安路科技、廣州高云半導體等等。

同時，作為FPGA領域的領軍企業，華為也開發出了FPGA云平臺，為全球人工智能、大數據等領域的專家，提供顛覆式的開發模式。

在諸多國產品牌的努力下，截至2021年，外企在我國的市占率已經從最初的100%下降到不足90%，其中僅安路科技一家，就成功奪回了6%的國內份額。

而被臺媒譽為“國產FPGA芯片龍頭企業”的紫光同創，也順利度過投資集中期，2021年實現營收7.82億元，凈利潤從2020年的虧損0.26億元扭轉為盈利0.41億元。

相信隨著產業需求的不斷擴大，FPGA芯片的國產替代率會繼續攀升。