国防军工行业：FPGA，市场规模高速增长，国产化替代快速推进

FPGA：“万能芯片”及其市场深度解析

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是一种高度灵活的半导体器件，其逻辑电路可通过重新编程进行配置，以满足用户特定的需求。它融合了专用集成电路（ASIC）的大规模、高集成度和高可靠性等优点，并克服了ASIC设计周期长、投资大、灵活性差等缺点，因此成为复杂数字硬件电路设计的理想选择。

1. FPGA 产品结构与特点

FPGA 主要由逻辑部分（逻辑块，LB）、输入输出部分（I/O 块，IOB）和布线部分（包括布线通道、开关块SB、连接块CB等）组成。这三部分协同工作，可以实现各种复杂的逻辑电路。现代FPGA通常还包含其他必要电路，如时钟树、配置/扫描链和测试电路等。为了增强功能，许多商用FPGA还集成了处理器、块存储器和乘法器等硬核电路。

• 逻辑部分： 负责实现逻辑功能，通常由可编程部分、触发器（FF）等数据存储电路和数据选择器构成，能够实现任意逻辑电路。

• 输入输出部分： 连接I/O引脚和内部布线，实现与外部的信号交互。通常包含上拉、下拉、输入/输出方向和极性、转换速率和开漏等控制电路，以及数据存储电路，支持多种输入/输出标准。

• 布线部分： 负责逻辑块之间以及逻辑块与I/O之间的互连。布线结构多样，包括岛型构造、多层构造和H-tree构造等。

• 其他部分： 包括控制逻辑块、I/O块、开关块和连接块的配置存储单元和配置链，以及时钟网络和扫描路径等。

FPGA设计流程是将开发者的需求、性能目标、约束条件以及代码、框图和电路图等描述转化为具体硬件实现的过程。基于硬件描述语言（HDL）进行寄存器传输级（RTL）描述的设计流程大致包括逻辑综合、技术映射、布局布线、生成配置和最终的FPGA系统验证。

2. FPGA 发展历程

FPGA的发展经历了多个阶段：

• 第一代（20世纪70年代）： 出现了基于熔断丝的可编程逻辑阵列（FPLA）和高速可编程阵列逻辑（PAL）。

• 第二代（20世纪80年代）： 基于CMOS EPROM/EEPROM的可编程逻辑器件（PLD）开始普及，出现了最早将FPGA产品化的公司。后期，随着集成度和速度的提升，出现了反熔丝FPGA。

• 第三代（20世纪90年代）： FPGA的逻辑电路规模迅速增长，从数千门发展到数十万门，缩小了与ASIC的性能差距，并开始集成微处理器（MPU）和数字信号处理器（DSP）等硬核模块。

• 第四代（21世纪00年代）： FPGA呈现系统级芯片（LSI）化趋势，开始集成硬核处理器和高速串行通信接口。产品更新迭代速度加快。

• 第五代（21世纪10年代）： 先进制程得到应用，产品线更加丰富，行业垄断化加剧。

3. FPGA 应用场景

FPGA应用广泛，涵盖民用和军工领域。

• 民用领域：

• 通信领域： 由于其灵活性和低延时性，FPGA在通信协议快速变化和升级的环境中具有独特优势，尤其是在5G等新兴技术领域。

• 工业控制领域： FPGA广泛应用于视频处理、图像处理和数控机床等领域，实现信号控制和运算加速。

• 人工智能领域： FPGA常与CPU配合使用，将CPU的部分运算任务卸载到FPGA上，加速实时处理和定制化计算。

• 军工领域： FPGA在高集成度、短设计周期、小投资和高灵活性的优势使其在军事应用中占据重要地位，例如弹载、机载系统和军用门禁控制等。FPGA还可以内置加密解密电路，增强数据安全性。

4. FPGA 市场概况

4.1 运营模式与技术壁垒

国内FPGA厂商普遍采用Fabless运营模式，专注于芯片设计、研发和销售，将晶圆制造、封装和测试外包。这种模式具有轻资产、灵活的优点，但也容易受到晶圆厂和封测厂产能的限制。

FPGA行业具有较高的技术壁垒，体现在研发投入、专利数量和人才储备等方面。国际龙头企业在这些方面拥有显著优势，国内企业仍需努力追赶。

4.2 市场需求与国产化

国际市场上，少数几家大型企业占据了大部分市场份额。国内市场中，国际厂商仍然占据主导地位，但随着国内企业加大研发投入和产品性能的提升，国产化替代正在加速进行。

市场需求分布较为均匀，各种逻辑单元容量和制程的FPGA都有相应的应用场景。通信领域是FPGA最重要的市场之一，其次是工业、数据中心、汽车和消费电子等领域。

4.3 国内外企业对比

国外龙头企业如赛灵思（已被AMD收购）和莱迪思在市场份额、技术积累和营收规模上占据优势。国内企业如紫光国微、复旦微电和安路科技等正在快速发展，并在中低端FPGA市场取得了一定的市场份额。高端FPGA方面，国产芯片仍有较大的发展空间。

5. FPGA 产业发展趋势

全球FPGA市场规模持续扩大，主要驱动力来自通信、工业控制和数据中心等领域的增长。国内市场也呈现快速增长的趋势，国产化替代是重要的发展方向。

各个细分市场中，通信领域仍然是最大的市场，其次是工业、数据中心、车载和消费电子等。人工智能领域对FPGA的需求也在不断增长。

国内FPGA企业营收增速明显高于国外企业，表明国产化替代正在快速进行。许多国内企业正在积极融资，显示出市场对FPGA行业的信心。

6. 重点公司分析

文中提及了紫光国微、复旦微电和安路科技三家国内FPGA领域的重要企业，并对其业务、研发投入和财务状况进行了分析。

7. 风险提示

投资任何行业都存在风险，FPGA行业也不例外。主要风险包括系统性风险、行业需求不及预期风险、产品研发进度不及预期风险、上游厂商供货不及预期风险和行业竞争加剧风险等。

总而言之，FPGA作为一种重要的半导体器件，在各种应用场景中都扮演着关键角色。随着技术的不断进步和市场需求的增长，FPGA行业将继续保持快速发展。国内企业在国产化替代的浪潮中面临着机遇和挑战，只有不断提升技术实力和产品竞争力，才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。