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[分享] 5G时代,FPGA面临价提量升

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发表于 2020-5-31 18:53:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 gaosmile 于 2020-5-31 18:55 编辑

全球 FPGA 市场规模持续攀升,亚太是FPGA 主要市场,未来产业发展可期。根据 Gartner 的数据,全球 FPGA 市场规模 2019 年达到69 亿美元,2025 年达到 125亿美元,未来市场增速稳中有升。亚太区占比达到 42%,是 FPGA 主要市场,中国FPGA 市场规模约 100 亿人民币,未来随着中国 5G 部署及 AI 技术发展,国内FPGA 规模有望进一步扩大。


FPGA 是可以先购买再设计的“万能”芯片。FPGA (Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路,它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构,让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片。广泛应用在原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。


FPGA是一个技术壁垒高的行业,有人认为FPGA公司就是半个 IC 设计公司+半个软件公司,硬件结构复杂且良率低,软硬协同再提研发难度。FPGA 企业的硬件开发部分属于典型的 IC 设计企业,与一般 IC设计企业不同的是,由于 FPGA 硬件需要配套 EDA 软件一起使用,FPGA 公司通常需要自行研发适配自家硬件的 EDA 软件,因此也算半个 EDA 软件公司。由于FPGA 版图及布线复杂,硬件设计难度较大,加之软件和硬件协同开发,系统工程的难度再升级。。

5G+AI催化行业增长,下游需求欲乘风而起

通信、消费电子、汽车是 FPGA 下游存量应用场景,市场规模持续增长。由于相对于 ASIC 的三方面优势(灵活性、上市时间、成本),FPGA 的下游应用场景较为丰富,包括:ASIC 原型设计、汽车、收发器、消费电子、数据中心、高性能计算、工业、医疗、测试/测量、有线/无线通信等。其中通信、消费电子和汽车是主要应用场景,2017 年三块场景 FPGA 需求占总需求比例达到 79.4%,市场规模持续扩大。


FPGA 市场规模按下游应用场景分

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应用场景会保持分散的格局,ASIC 在成本上的规模经济限制了 FPGA 应用场景的集中度,FPGA 不可替代性奠定市场基础。由于 ASIC 具有明显的规模经济,当单一芯片产品用量极大时(一般为超过 10 万片),使用 ASIC 方案将有成本优势,因此 FPGA 的应用场景被限制在了用量小、技术不稳定、灵活性需求高的领域,一旦技术成熟且需求放量,终端厂商就会考虑 ASIC 方案替代 FPGA 方案来降低成本。但由于 FPGA 在用量小、技术不稳定及灵活性需求高的领域具有不可替代性,FPGA 的市场基础稳固,未来量的增长主要看新技术带来的新周期。国产 FPGA 厂商产品下游应用场景更偏重消费电子,未来在通信市场的增长值得期待。根据Xilinx 的年报,2019 财年(财年结日为 2019 年 3 月 30 日)其产品终端应用场景及占比为通信(36%)、工业航空及国防(28%)、数据中心及封测医疗仿真(20%)、汽车广播及消费电子(15%)。而国产 FPGA 厂商由于产品性能相对落后,在高端民用领域暂时不具有竞争力,但在 LED 显示、工业等领域出货量较大。随着国内厂商技术突破,未来在通信市场份额的提高将开启国产 FPGA厂商增长。


1)全球 5G 浪潮席卷而来,FPGA 量价齐升在即


FPGA 是 5G 基础设施和终端设备的零部件,5G 全球部署持续推进,基站、IoT、终端设备、边缘计算的 FPGA 用量将显著提升。通信是 FPGA 下游应用场景中规模最大的分支,根据 MRFR 的数据,FPGA 通信市场规模 2017 年达 23.5 亿美元,占整体 FPGA 应用市场比例超 40%,2017-2025年 CAGR 预计 8%。全球 5G 基础设施建设进程下,FPGA 作为核心零部件,用量也会随之提升,5G 应用中,IoT、终端设备及边缘计算领域的 FPGA 需求也将增长。未来在通信市场的增长具有确定性。相比较 CPU 和 GPU,通信领域 FPGA在 I/O 、运算速度及延迟上均具有优势。在 5G 建设初期,FPGA 可以被用于基站天线的收发器中,5G 时代 Massive MIMO技术让收发通道数从 16T16R 提高到 64T64R 甚至 128T128R,FPGA可以用于多通道信号波束成形。目前业界在 FPGA 和 ASIC方案的选择上具有差异,京信通信等公司采用更加灵活的 FPGA 方案。


64 通道毫米波 MIMO 全 DBF 收发器简化框图

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以一个 64通道毫米波 MIMO 全 DBF 收发器为例,如图收发器分为两部分,左半部分为中频&基带子系统,包涵 Xilinx 的 Kintex-7 FPGA;右半部分为毫米波收发器射频前端,包涵中频振荡器及电源管理模组等。每一个基带子板(baseband daughter board)中都具有一块 Xilinx’s Kintex-7 FPGA,2 个双通道 12-bit ADC,1 个4 通道 16-bit DAC,2 个QSFP+光接口用于通用无线接入。


5G时代,FPGA面临价提量升

价提:FPGA 主要用在收发器的基带中,5G 时代由于通道数的增加,计算复杂度增加,所用 FPGA 的规模将增加,由于 FPGA 的定价与片上资源正相关,未来通信领域 FPGA 单颗成本也将上升,目前基站收发器中的 FPGA 单价通常在几百元人民币的范围,未来有望进一步提高。收发器的主要成本和功耗由基带部分贡献,未来技术复杂度将再次推升收发器成本,进而传导到基站 AAU 价格上升。量增:5G 带来的出货量提高来源于两方面,1. 通信基站数量提高带动 FPGA 零部件用量提高。5G 初期基站铺设数量环比提高,另一方面由于 5G 信号衰减较快,小基站需求量巨大,未来十年有望超 1000 万座,同比 4G 时期增长明显。2. 单基站FPGA 用量提高带动 FPGA 通信市场用量整体提高。由于5G Massive MIMO的高并发处理需求,单基站 FPGA 用量有望从 4G 时期 2-3 块提高到 5G 时期 4-5块,将带动 FPGA 整体用量。


2)自动驾驶渐成熟,增量空间大门打开

汽车半导体 389 亿市场规模,FPGA 目前仅占2.4%,自动驾驶发展将提高 FPGA价值占比。汽车芯片分为主控芯片和功能芯片(MCU)。主控芯片包括 GPU、FPGA、ASIC 等,FPGA 在汽车多个领域都有应用,尤其在相机和传感器中的应用已经相对成熟。

汽车半导体市场规模
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根据Bloomberg 数据,汽车半导体市场规模 2017 年达到388.6 亿美元,其中 FPGA 为 9.5 亿美元,占比仅 2.44%。FPGA 依托其灵活性及并行处理能力,在汽车的摄像头及激光雷达领域应用广泛。自动驾驶技术的发展将提高 FPGA 在汽车半导体中的价值占比。


汽车半导体市场份额
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FPGA巨头抢道智能驾驶,L5 级产品值得期待。目前赛灵思布局主要在 L1-L3,NVIDIA 和 Intel 的最新系列产品剑指 L5 完全自动驾驶。但是由于政策影响加上自动驾驶事故频发,即使技术达到 L5 级别,仍无法在全球道路上实现 L5 操作。


2018 年赛灵思完成对深鉴科技的收购后进一步加强其在汽车领域的布局。目前赛灵思的 FPGA 自动驾驶解决方案的客户包括百度、海康威视、中科慧眼、元橡科技、极目科技等。截至 2018 年,赛灵思的产品在 29 个OEM 品牌的 111 种车型上得到了应用。在激光雷达芯片领域,赛灵思占有约 90%的市场。

赛灵思汽车领域应用车型数持续提高
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FPGA在未来汽车中主要应用在 ADAS/AD 系统、马达控制、激光雷达、车载信息娱乐系统和驾驶员信息系统,成长空间可期。以 FPGA 巨头 Xilinx 为例,赛灵思在汽车上已经形成了自生成熟的闭环的生态系统,提供从高级驾驶员辅助驾系统(ADAS)、自动驾驶(AD)、激光雷达到车载信息娱乐系统(IVI)和驾驶员信息(DI)的全方面支持。ADAS/AD 领域是赛灵思未来中长期的增长点。而汽车级 ACAP 平台的推出则是实现自动化驾驶 L4 的基础。未来智能驾驶技术逐渐成熟,FPGA 用量提升空间巨大。

汽车领域芯片应用

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3)数据中心部署 FPGA,AI 加速卡拉动 FPGA 需求


数据中心逻辑芯片是百亿美元市场,低延迟+高吞吐奠定 FPGA 核心优势。根据Intel披露的数据,数据中心领域逻辑芯片市场规模 2017 年达 25亿美元,2022 年有望达到 80-100 亿美元。数据中心 FPGA 主要用在硬件加速,相比 GPU,FPGA在数据中心的核心优势在于低延迟及高吞吐。微软 Catapult 项目在数据中心使用FPGA 代替 CPU 方案后,处理 Bing 的自定义算法时快出 40 倍,加速效果显著。数据中心对芯片性能有较高要求,硬件即服务模式下,未来更多数据中心采纳FPGA 方案将提高 FPGA 在数据中心芯片中的价值占比。


AI 应用场景的 FPGA 市场规模

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AI 场景中 FPGA 市场规模 2023 年有望达 52 亿美元,未来五年复合增速达 38.4%。FPGA 由于其灵活性及高速运算能力,在 AI 加速卡领域应用广泛,根据 Semico Research 的数据,AI 领域 FPGA 市场规模 2023年有望达 52 亿美元,相比于目前63 亿美元的 FPGA 市场,AI 领域的应用不可小觑。

FPGA在 AI 领域处理效率及灵活性具有显著优势,未来伴随 AI 技术发展迎来增长。在加速二值化神经网络(BNN)中比较 FPGA、CPU、GPU 和 ASIC,FPGA提供了超过 CPU 和 GPU 的效率。即使CPU 和 GPU 提供高峰理论性能,它们也没有得到有效利用,因为 BNN 依赖于更适合定制硬件的二进制 bit 级操作。尽管ASIC 仍然更高效,但 FPGA 具有更高的灵活性,无需锁定固定的 ASIC 解决方案。

国产替代叠加行业增长,国产厂商将进入增长快车道

全球 FPGA 市场在 5G 和 AI 两大驱动因子下未来预计享有稳健增长,而目前国内 100 亿人民币市场中,国产厂商占比仅 4%,国产率极低。未来随着国产 FPGA厂商技术突破,国产替代进程下,替代厂商增速有望显著高于行业平均,估值和业绩有望双增。我们认为国产替代仍是 FPGA 行业投资主线,建议关注国产 FPGA厂商及其相关公司的投资机会。


近年来国产FPGA 虽落后但追赶进度较快,继紫光同创开发出中国唯一一款自处产权千万门级高性能 FPGA PGT180H 以来,上海复旦微电子于 2018 年 5 月在第二届中国高校科技成果交易会上发布了新一代自主知识产权亿门级 FPGA 产品,新产品,填补了国内超大规模亿门级 FPGA 的空白。未来随着更多企业技术突破,国产替代进程将持续推进。高云半导体作为近几年成长起来的,国内代表FPGA企业,他们研发副总裁王添平提到,目前国产FPGA厂商与国外巨头相比,仍然存在较大差距。但国内也有不少厂商在不断努力。虽然生产规模相对较小,但目前商用厂家及市场已经开发产品集成中在低密度或者中密度;排名前几名自主FPGA软件基本可用;出货集中在中低密度,相互竞争激烈;对国外产品有一定压力;量产良率、可靠性管控,随出货量上扬得到有效提升;有经验的研发、市场人才缺乏,大多通过挖角或培养;芯片性能接近或部分超出国外同类产品;单颗芯片出货累计百万、千万,行业中国仍然是屈指可数。
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