(以下内容从东兴证券《东兴晨报》研报附件原文摘录)
【东兴通信】FPGA提供了什么价值?——“FPGA五问五答”系列报告一(20230417)
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。
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