国产FPGA如何缩小与国际之间的差距？

编者按：自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后，今年是第66个年头。回望66年的发展，从无到有、从小到大，半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划，瞄准集成电路等战略性领域之际，半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题，讲述当今中国半导体各领域发展进程，解析国产化最新态势，本期为“国产化进程”专题集成电路篇第四篇文章：FPGA。88oesmc

FPGA，作为一种半定制芯片，具有现场可编程性，非常灵活，可重复使用，特别适合要求物理运算逻辑持续更迭的应用，例如人工智能算法优化、数据中心、网络通信等。88oesmc

当下，随着技术的发展和应用需求不断提升，FPGA具有更广阔的发展空间，特别是5G技术的提升、AI的推进以及汽车自动化的演进，全球FPGA市场规模将稳步提升。据Market Research Future统计，2018年，全球FPGA市场规模为63.35亿美元，预计2025年将增长至125.21亿美元，2018-2025年平均复合增长率为10.22%。88oesmc

中国市场水涨船高，近年来，FPGA市场规模持续上升，从2016年的65.5亿元人民币，增长至2020年的150.3亿元，年复合增长率为23.1%。据预测，2025年，中国FPGA市场规模将提升至332.2亿元，2021-2025年的复合增长率为17.1%，高于全球市场。在国产化趋势下，中国 FPGA市场的增长将为本土厂商提供更多商机。88oesmc

厂商方面，全球FPGA市场被赛灵思（Xilinx，已被AMD收购）和英特尔（收购了Altera）这两大巨头把持，市占率合计达87%左右，再加上另外两强Lattice和MicroChip，这四家美国公司就占据了全球92%以上的FPGA市场份额。88oesmc

相较于国际大厂，中国本土FPGA厂商整体实力较弱，代表企业包括复旦微电子、紫光同创（紫光国微持股）、安路科技和高云半导体，另外还有西安智多晶、京微齐力、上海遨格芯和成都华微科技。国内厂商以偏低端的CPLD和小规模FPGA器件为主。88oesmc

中国本土FPGA厂商在技术水平、软件易用性、市占率等方面都与国际大厂存在较大差距，但随着我国不断加大研发投入和人才培养力度，未来国产FPGA企业将有望缩小与国际企业之间的差距。另外，国内头部企业都有名校背景，如紫光同创背靠清华大学，复旦微电子背靠复旦大学，具备较强的人才资源优势。88oesmc

国产FPGA概况

安路科技、复旦微电子和紫光同创是中国本土FPGA企业中的佼佼者。最近几年，借助国家政策和资金支持，以及全行业国产化加速动能，这三家厂商也加快了追赶国际大厂的步伐。88oesmc

FPGA芯片的现场可编程特性决定了客户需要FPGA专用EDA软件来配置芯片实现具体功能，因此，软件是FPGA产品开发的关键。安路科技自主开发的软硬件协同研发平台，实现了以软件为核心，支持硬件、专用EDA软件、测试、应用IP和参考方案的协同设计。在FPGA专用EDA软件方面，安路科技的TangDynasty是国内少数全流程自主开发的FPGA专用软件。88oesmc

在FPGA芯片应用方案方面，安路科技已经积累了一批成熟的图像处理和逻辑接口IP，大幅提升了用户的应用开发效率。目前，该公司的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。88oesmc

2021年11月，安路科技在科创板上市，募投资金主要用于新一代FPGA研发，以及FPSoC系统级芯片研发项目。近些年，该公司的研发费用支出占营收比率一直稳定在30%以上。88oesmc

在千万门级FPGA发展成熟之后，2018年第二季度，复旦微电子推出了采用28nm制程工艺的亿门级FPGA产品，开创本土先河，其SerDes传输速率最高达13.1Gbps，已向国内数百家客户发货，主要用于5G通信和人工智能等对传输速度要求较高的领域。88oesmc

在复旦微电子2018-2021年主营构成中，FPGA芯片的收入占比不断上升，从2018年的11%增至2021年的17%，体现了该公司FPGA随国产替代不断放量的趋势。由于FPGA业务的技术壁垒较高，高研发投入带来的高定价，以及应用领域等因素，2021年，该公司FPGA毛利率达到84.71%，远高于其他业务。88oesmc

紫光同创的FPGA在高中低端市场均有布局，如高性能的Titan系列（40nm），以及高性价比的Logos系列（40nm），该公司还有55nm制程工艺的Compact系列CPLD产品。另外，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。88oesmc

2021上半年，紫光同创实现营收2.35亿元人民币，同比大幅增长103.02%，净利润8901万元，同比增长197.30%，实现扭亏为盈。该公司持续加大研发投入，大规模FPGA研发进展顺利，多款中小规模FPGA产品逐步成熟，稳步上量发货，并在视频图像处理、工控和消费市场取得了重要进展。另外，紫光同创已初步完成了新一代产品，即可编程系统平台芯片SoPC的规划工作。88oesmc

任重道远

看完了成绩，下面看一下不足与差距。中国本土FPGA厂商在市场规模、制程工艺、EDA工具、IP等方面，与国际大厂的差距还是很大的。88oesmc

赛灵思、英特尔和Lattice在中国市场的出货量占比分别为36.6%、25.3%和23.2%，本土厂商安路科技排在第四位，占比仅6%。若以销售额统计，赛灵思和英特尔两家的合计占有率超过90%，安路科技排名第四，占比仅1%左右。88oesmc

赛灵思，英特尔，Lattice和MicroChip不仅在硬件设计方面技术领先，它们在高端EDA软件设计方面也形成了极强的技术壁垒，通过近9000项专利构筑了牢固的知识产权壁垒，研发相关人才近万人。88oesmc

FPGA芯片设计阶段涉及到很多IP硬核，而在后期编程阶段又涉及到很多IP软核，国外厂商凭借自身高市占率，在客户应用过程中不断积累，从而形成了强大的产业生态链。88oesmc

相对而言，中国FPGA研发基础较为薄弱，由于发展较晚，中国FPGA研发人才匮乏，这已成为制约中国FPGA产业发展和产品升级的主要障碍。88oesmc

产业链方面，中国国产化程度低，特别是EDA和IP，随说本土FPGA头部厂商也自研了一些软件工具，但总体来看，使用的EDA软件和IP主要由境外企业提供，Cadence、Synopsys和siemens占据了主要的市场份额。88oesmc

受制于专利，中国本土企业在研发方面也是困难重重。据统计，赛灵思已申请超过5300项专利，而紫光同创拥有的专利数仅300余项，差距明显。由于FPGA核心专利大都掌握在国外厂商手中，在核心专利没有过期的情况下，要绕开它们，不仅要加大研发投入，还要消耗更大的芯片面积和功耗。这对FPGA初创公司的发展非常不利。88oesmc

另外，中国FPGA企业在门级规模和制程工艺方面，与国际大厂之间的差距也很明显。88oesmc

制程工艺方面，以赛灵思为例，其FPGA芯片主流工艺包括28nm、20nm和16nm，7nm制程产品也已发布。目前，中国本土厂商已发布的产品只能达到28nm制程。88oesmc

不过，目前市场对28nm及更先进制程FPGA的需求量相对有限。由于28nm-90nm制程区间内的FPGA芯片具有较高的性价比和良率，依然是市场主流。据Frost&Sullivan统计，2019年28nm-90nm制程的FPGA占据了中国市场63.3%的份额，28nm及更先进制程FPGA占据了20.9%的市场份额。这一市场格局为国产FPGA的发展提供了时间。但是，由于先进制程产品具有更低功耗、更小面积和更高性能，预计28nm及更先进制程FPGA芯片将快速发展，我们还是要抓紧时间。88oesmc

本土几大厂商在先进制程FPGA的研发和量产方面也取得了一些成绩，以安路科技为例，其55nm制程产品是主要营收来源，28nm制程营收占比在快速提升，该公司在2020年实现了28nm制程PHOENIX1系列产品的量产，28nm产品营收占比持续提升，2021上半年达到5.11%，较2020年显著增长。88oesmc

门级规模方面，赛灵思16nm制程产品达到十亿门级，28nm制程产品为亿门级。中国本土头部厂商28nm制程产品的门级规模刚刚达到亿门级。100K门以下逻辑单元芯片为国内主要市场。据Frost&Sullivan统计，以销售额计算，中国市场100K门以下的FPGA芯片占据了38.2%的市场份额，100K-500K门FPGA占据了31.7%的市场份额。88oesmc

SerDes速率也有差距，例如，赛灵思16nm制程产品最高支持32.75GbpsX96通道或58GbpsX32通道，安路科技28nm制程产品的SerDes速率仅达到16Gbps。88oesmc

结语

虽然国际FPGA四大厂把持着绝大部分市场份额，但AMD近些年的CPU市占率和营收蹿升告诉我们，只要产品做的对路，性能指标好，一切皆有可能。而且，在国家政策、资金的支持下，以及国产化浪潮的推动下，中国本土FPGA是有很大发展空间的。88oesmc

目前来看，国产FPGA短期内还难以与赛灵思（AMD旗下）和英特尔抗衡，更多地是在争夺主打中小规模（门级）、低功耗FPGA的Lattice和MicroChip市场份额，特别是在前景广阔的汽车和工业应用市场，更具发展潜力，因为这两大市场对成本很敏感，赛灵思和英特尔的产品受限较多，这给了后来者机会，包括中国本土FPGA厂商。88oesmc

特别是汽车市场，更是一块大蛋糕，为了争夺这块潜力市场，车用MCU领导厂商瑞萨电子于2021年推出了低功耗ForgeFPGA，价格将低于0.5美元。这是瑞萨收购Dialog Semiconductor GreenPAK可编程混合信号器件业务后推出的，此前，Dialog Semiconductor还与FPGA开发商Flex Logix合作，将其EFLX平台集成到包括MCU在内的芯片中。88oesmc

这样看来，在以汽车电子为代表的中小规模（门级）、低功耗FPGA市场竞争当中，中国本土企业既有机遇，也要面临更多竞争和挑战，还需要不断提升FPGA研发能力和生态建设水平。88oesmc