电子行业“FPGA五问五答”系列报告一：FPGA提供了什么价值？-20230417-东兴证券-33页_4mb

FPGA提供了什么价值？总结

核心内容

FPGA（可编程逻辑门阵列）是一种特殊的数字芯片，因其“万能”的特性而被广泛应用于多个领域。其核心价值在于高灵活性和确定性的低时延，这使得FPGA在许多需要快速迭代、并行计算和低时延的场景中不可替代。

主要观点

1. FPGA的灵活性

   • FPGA允许用户随时更改其硬件功能，通过调整LUT（查找表）和寄存器的配置，实现任意数字电路功能。
   • 这种灵活性使其特别适合以下场景：
     • 需要频繁更改标准/协议/算法的行业；
     • 成本敏感且需要快速迭代的行业；
     • 小批量产品；
     • 反复修改验证的设计。

2. FPGA的并行性

   • 内部数十万个CLB（可编程逻辑块）可以同时独立工作，实现大规模并行计算。
   • 由于不存在线程或资源冲突问题，FPGA的时延是确定性的，适用于低时延场景。

3. FPGA的市场地位

   • 全球FPGA市场规模约为80亿美元，但其在逻辑芯片市场中的重要性不容忽视。
   • 全球90%的市场份额由美国厂商垄断，国产替代需求迫切。

4. FPGA的“万能”特性

   • FPGA的LUT可以实现任意组合电路，结合寄存器可完成时序电路，从而实现任意电路的“可编程”。
   • 与传统的PLD（如SPLD、CPLD）相比，FPGA在容量和速度上具有明显优势。

5. FPGA的技术演进

   • FPGA从早期的LUT4发展到现在的LUT6、LUT8，逻辑单元数不断增加。
   • 通过集成RAM、DSP、收发器等固化单元，FPGA性能不断提升，逐步向异构计算平台发展。

关键信息

FPGA的组成结构

• 可编程逻辑块（CLB）：负责承载电路功能，由LUT、寄存器和MUX组成。
• 可编程连线：将逻辑块连接起来，满足时序约束。
• 可编程I/O：负责FPGA与外界交互，实现信号处理和控制功能。

FPGA的性能评价指标

• 逻辑资源：逻辑单元数是衡量FPGA容量的核心指标。
• 固化单元：包括Block RAM、DSP、收发器、处理器等。
• 功耗：由静态功耗、动态功耗、IO功耗和收发器功耗构成。
• 速度等级：与制程和内部架构密切相关。
• 温度等级：分为商业级、工业级、军温级等，适用于不同工作环境。

FPGA的市场细分

• 高端市场：需求高性能、高密度、高集成度，典型产品包括Versal、Virtex、Stratix10等，单价较高，销售额占比约55%。
• 中端市场：追求性价比，性能和成本平衡，典型产品包括Kintex、Arria等，销售额占比约25%。
• 低容量市场：强调低成本和低功耗，典型产品包括Spartan、Certus等，销售额占比约20%。

FPGA的制程与技术

• 制程技术：FPGA采用SRAM技术，使其能够快速跟进最新技术节点。
• 先进制程优势：使用更先进的制程可以降低功耗、芯片尺寸和成本，提高性能。
• 抗辐射能力：在航天等高辐射环境下，FPGA需具备抗辐射能力，分为Radiation Tolerent（LEO）和Radiation Hardened（MEO/GEO）两种。

FPGA设计的难点

1. 产品定义：需要平衡可编程功能与固化功能，满足不同用户需求。
2. 技术挑战：必须跟上最新制程，实现性能提升。
3. EDA绑定：FPGA的布局布线是其核心，必须由厂商自主开发，与硬件深度绑定。

宇航级FPGA

• 必要性：在卡门线以上（100km）运行的航天器需要使用宇航级FPGA，以应对高辐射环境。
• 抗辐射能力：包括TID耐性、SEL阈值、SEFI发生率和SEU发生率。
• 成本与性能：宇航级FPGA制造成本高，性能要求也更高，因此价格昂贵。

市场趋势与风险提示

• 市场潜力：随着人工智能、5G通信、数据中心等新兴领域的发展，FPGA市场潜力巨大。
• 国产替代：美国禁运为国产FPGA厂商提供了发展机会。
• 风险提示：下游需求不及预期、中美贸易战超预期。

结论

FPGA以其高灵活性和低时延，成为多个关键行业的核心组件。其技术发展和市场细分使得不同厂商能够满足不同应用场景的需求。尽管FPGA设计复杂，但其独特的架构和性能优势使其在高端市场占据主导地位。随着技术的不断进步和市场需求的扩大，FPGA的未来发展前景广阔。