“FPGA五问五答”系列报告一：FPGA提供了什么价值？-韭研公社

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“FPGA五问五答”系列报告一：FPGA提供了什么价值？

Dom Juan 唐璜

自学成才的老司机

2023-04-17 14:15:32

东兴证券股份有限公司研究员：李美贤日期：2023-04-17

　　投资摘要：

　　FPGA（可编程逻辑门阵列）又称“万能芯片”，美国禁运后，作为最“卡脖子”的芯片之一而家喻户晓。虽然全球市场规模只有80 亿美元，FPGA 这个不大不小的市场却撑起了龙头赛灵思近500 亿美元的市值（英特尔平均市值在2000 亿美元上下，所在市场规模是FPGA 的10 倍）。目前，全球90%的市场份额由美国FPGA 厂商垄断，国产替代必要性不言而明。美国禁运后，国产FPGA 厂商迎来发展的历史性机遇。FPGA 究竟有什么价值？什么在驱动它的未来的成长？龙头为什么能有这么高的市场份额？

　　护城河在哪里？本土厂商又要如何培育自己的竞争优势？针对这些问题，我们复盘了FPGA 三大厂商：赛灵思、Altera 和Lattice 的发展历程，总结出了核心规律，并在FPGA 五问五答系列报告中逐一为投资者解答。

　　作为我们FPGA 五问五答第一篇，在这篇报告中，我们首先回答一个最关键的问题——FPGA 提供了什么价值？

　　为了回答这个问题，我们仔细研究了FPGA 和其他处理器的架构演变和历史，回答如下：FPGA 无可比拟的灵活性，以及确定性的低时延优势，是FPGA 难以被替代的原因，也是FPGA 为客户提供的独一无二的价值。

　　FPGA 是什么？在半导体产业链中的位置？芯片分为模拟芯片和数字芯片，数字芯片负责处理数字信号，分为处理器、逻辑、存储三大类。FPGA 是可编程的逻辑芯片，和其它逻辑芯片的不同之处在于，用户可以随时定义其硬件功能。虽然FPGA 市场仅占逻辑芯片的5%，市场规模仅有微处理器的大约十分之一，但在许多领域是不可或缺的。

　　FPGA 为什么在历史上脱颖而出？PLD 诞生的动因来自于ASIC 和ASSP 的不足，通过可编程来满足降低芯片设计风险的需求。

　　FPGA 并不是第一个被创造出来的可编程逻辑器件，但由于FPGA 的架构弥补了PLD 和ASIC/ASSP 的缺环，能够满足下游不断增长的容量和速度的需求，在发明后的10 年开始飞速替代SPLD 和CPLD，成为独占鳌头的可编程逻辑器件。

　　FPGA 如何做到“万能”？数字电路有两大类：组合电路和时序电路，时序电路即“组合电路+存储”。所有组合电路都有对应的真值表，FPGA 的可编程逻辑块中的LUT，本质上是一个对应真值表输出的查找表，可以完成任意组合电路的功能。通过改变LUT4 里面的16 位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器等存储单元，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。

　　FPGA 独一无二的价值在哪里？1）灵活性高，适合高速迭代的场景（能“经常改”）：FPGA 可以实现任何电路功能，其耗时甚至不超过一秒，修改不限次数，这一特性尤其适合以下4 种场景：标准/协议/算法经常更改的行业，快速迭代、成本敏感的行业，小批量的行业，以及反复修改验证的设计；2）并行性好，适合要求低时延和大量并行计算的场景（“算得快”）：

　　FPGA 内部数十万个CLB 可以同时独立工作，实现大规模的并行计算耗时极短，由于不存在线程或者资源冲突的问题，FPGA 的时延是确定的低时延，特别适合低时延的场景。

　　什么是“好”的FPGA？一般来说，FPGA 的制程越先进、逻辑单元数越多、固化功能越复杂，能构造的电路就越大型、越复杂，FPGA 越“好”。尽管如此，一块“好”的FPGA 并不一定是能力上的最优，而是最贴近使用者的需求，因此，龙头对市场做了非常高的细分。以龙头赛灵思为例，其拥有高端的Virtex，性价比的Kintex，低容量的Spartan，超低功耗的CoolRunner，再加上温度、速度等级等的的区别，仅7 系产品就有高达1000+的料号，产品矩阵非常完备。

　　特别地，我们回答了市场对于宇航级FPGA 的疑惑：

　　在卡门线以上（海拔高度100km）运行的电子系统需要使用宇航级FPGA，由于外太空的航天器接受的辐射量是地面的百倍甚至千倍以上，严重的可致器件损坏，导致在轨任务的失败，航天器需要具备电路级的抗辐射能力。FPGA 的抗辐射能力和航行高度挂钩：在LEO 高度，使用耐辐射（Radiation Tolerent）FPGA 即可；进入MEO 或者GEO 高度，需要使用辐　　射加固（Radiation Hardened）FPGA。宇航级FPGA 主要考虑对总剂量效应和单粒子事件的防护能力，具体指标有TID 耐性、SEL 阈值、SEFI 发生率和SEU 发生率。宇航级FPGA 需要额外使用许多技术，制造的成本高，做到辐射加固级更是需要从设计到制造封测的一系列流程改变，因此价格通常非常昂贵，目前，全球有能力提供宇航级FPGA 公司屈指可数。过去，星载FPGA 处理能力落后于商业级10-15 年，现在已经和商业级接近，背后是不断增长的提升卫星处理能力的需求。

　　为什么FPGA 这么难？我们认为，一是产品定义上，FPGA 设计者必须平衡市场上各个需求，难度在于如何平衡可编程功能和固化功能，需要对客户需求有非常好的了解。我们回顾了Altera 历史上在Excalibur 的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。二是从技术上，体现在FPGA 必须跟上最新的制程。制程领先是FPGA 市场份额最直接的决定因素。从Altera 在40nm对赛灵思的赶超，可以看出制程领先对FPGA 的重要性。FPGA 设计不是简单地堆叠逻辑单元，如何排布逻辑单元和各固化单元，来平衡性能提升和面积、时延、功耗之间的矛盾，是非常重要的问题，需要设计者考虑架构的先进性和针对性。三是FPGA 硬件和设计工具绑定的特点，使得EDA 和硬件必须做到并重开发。FPGA 软件最核心的地方在于布局布线，虽然仿真等工作已经可以由第三方EDA 完成，但由于架构不公开，并不存在通用的FPGA 布局布线工具，历史上赛灵思和Altera 都曾与第三方的EDA 公司合作优化仿真以及综合的流程，但布局布线从来只在自家的EDA 上进行。因此，FPGA 的容量每上一个台阶，就必须更新配套的“映射-包装-布局布线”三大算法。这种硬件和软件高绑定的特点，使得FPGA 新进厂商在攻克了硬件的诸多技术难点外，还要完成配套软件和复杂的工具包开发，这是FPGA 的设计难于其它类型芯片的原因，亦是FPGA 的进入壁垒如此之高的原因之一。

　　风险提示：下游需求不及预期，中美贸易战超预期。

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