人工智能、物聯(lián)網(wǎng)需要什么芯片？CPU和GPU將讓位于FPGA

二、FPGA—可編程、靈活性高、開(kāi)周期短的“萬(wàn)能芯片”

　　2.1、可編程的“萬(wàn)能芯片”

　　FPGA(FieldProgrammableGateArrays)—現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是指一切通過(guò)軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計(jì)功能的數(shù)字集成電路。FPGA可以實(shí)現(xiàn)怎樣的能力，主要取決于它所提供的門(mén)電路的規(guī)模。如果門(mén)電路的規(guī)模足夠大，F(xiàn)PGA通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意芯片的邏輯功能，例如ASIC、DSP甚至PC處理器等。這就是FPGA為什么被稱之為“萬(wàn)能芯片”的原因。

　　FPGA可隨意定制內(nèi)部邏輯的陣列，并且可以在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行即時(shí)編程，以修改內(nèi)部的硬件邏輯，從而實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能。這一點(diǎn)是ASIC和和DSP都無(wú)法做到的。形象點(diǎn)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的ASIC和DSP等于一張出廠時(shí)就寫(xiě)有數(shù)據(jù)且不可擦除的CD，用戶只需要放到CD播放器就可以看到起數(shù)據(jù)或聽(tīng)到音樂(lè);而FPGA是一張出廠時(shí)的空白的CD，需要用戶自己使用刻錄機(jī)燒寫(xiě)數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤(pán)里，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù)，反復(fù)刻錄。

　　2.2、可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算效率高

　　FPGA的核心優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)下來(lái)三點(diǎn)：可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高。與ASIC的全定制電路不同，F(xiàn)PGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門(mén)電路規(guī)模足夠大，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場(chǎng)可重復(fù)編程性使開(kāi)發(fā)人員能夠用軟件升級(jí)包通過(guò)在片上運(yùn)行程序來(lái)修改芯片，而不是替換和設(shè)計(jì)芯片(設(shè)計(jì)和)時(shí)間成本巨大)，甚至FPGA可通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。

　　開(kāi)發(fā)周期短。ASIC制造流程包括邏輯實(shí)現(xiàn)、布線處理和流片等多個(gè)步驟，而FPGA無(wú)需布線、掩模和定制流片等，芯片開(kāi)發(fā)大大簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的ASIC和SoC設(shè)計(jì)周期平均是14個(gè)月到24個(gè)月，用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)間可以平均降低55%。全球FPGA第一大廠商Xilinx認(rèn)為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市六個(gè)月5年內(nèi)將少33%的利潤(rùn)，每晚四周等于損失14%的市場(chǎng)份額。

　　并行計(jì)算效率高。FPGA屬于并行計(jì)算，一次可執(zhí)行多個(gè)指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計(jì)算，一次只能處理一個(gè)指令集，如果ASIC和CPU需要提速，更多的方法是增加頻率，所以ASIC、CPU的主頻一般較高。FPGA雖然普遍主頻較低，但對(duì)部分特殊的任務(wù)，大量相對(duì)低速并行的單元比起少量高效單元而言效率更高。另外，從某種角度上說(shuō)，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實(shí)并沒(méi)有所謂的“計(jì)算”，最終結(jié)果幾乎是類(lèi)似于ASIC“電路直給”，因此執(zhí)行效率就大幅提高。

　　2.3、FPGA限制因素：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)

　　今年9月，我們?cè)c國(guó)內(nèi)一線IC設(shè)計(jì)師對(duì)FPAG的未來(lái)發(fā)展進(jìn)入深入交流?？偨Y(jié)來(lái)下，如果未來(lái)FPGA價(jià)格到低一定程度，將替代大多數(shù)的ASIC芯片。但是，目前制約FPGA發(fā)展的三大因素主要有：成本、功耗和編程設(shè)計(jì)。

　　成本。如果ASIC流片量大，實(shí)現(xiàn)同樣邏輯的FPGA成本將是ASIC的10倍以上。按照上面的初步測(cè)算，以5萬(wàn)片流片為零界點(diǎn)，低于5萬(wàn)片的小批量多批次的專(zhuān)用控制設(shè)別(如雷達(dá)、航天飛機(jī)、汽車(chē)電子、路由器，這些高價(jià)值、批量相對(duì)較小、多通道計(jì)算的專(zhuān)用設(shè)備)采用FPGA更加經(jīng)濟(jì)劃算。

　　功耗。FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因?yàn)镕PGA廠商并不知道下游的具體需求應(yīng)用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門(mén)電路(其實(shí)很多沒(méi)有使用到)，行業(yè)深度報(bào)告：FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大有可為國(guó)防、汽車(chē)等，這些領(lǐng)域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/p>

　　編程設(shè)計(jì)。FPGA的發(fā)展中，軟件將占據(jù)60%的重要程度。例如Xilinx公司60%～70%的研發(fā)人員從事軟件工作。除了考慮芯片架構(gòu)，編程設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮應(yīng)用場(chǎng)景多樣性、復(fù)雜性和效率。FPGA編程需要采用的專(zhuān)用工具進(jìn)行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術(shù)門(mén)檻非常高。

　　三、FPGA—毛利率高、增速快、進(jìn)口替代空間大

　　3.1、半導(dǎo)體領(lǐng)域最高毛利率和最高增速

　　FPGA廠商在半導(dǎo)體領(lǐng)域享有最高的毛利率。2010年根據(jù)半導(dǎo)體公司調(diào)查，F(xiàn)PGA廠商的平均毛利率為66%，毛利率中位數(shù)在69%。2014年Altera營(yíng)業(yè)收入19.3億美元，凈利潤(rùn)4.73億美元，毛利率水平66%，凈利率水平24.5%，好于我們所熟知的半導(dǎo)體IC巨頭Intel(2014年毛利率59.3%，凈利率20.9%)。

　　FPGA毛利率高的原因：EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具廠商MentorGraphics公司CEOWaldenC.Rhines分析認(rèn)為，F(xiàn)PGA廠商的差異化做得好，下游客戶轉(zhuǎn)換成本非常高。具體來(lái)看，體現(xiàn)在產(chǎn)品的差異化、基礎(chǔ)架構(gòu)和生態(tài)環(huán)境等方面。

　　產(chǎn)品差異化方面，F(xiàn)PGA廠商有高效的架構(gòu)，具有法律約束(專(zhuān)利組合和版權(quán))，在每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)率先產(chǎn)品上市?；A(chǔ)架構(gòu)方面，不同供應(yīng)商提供自己特殊的IP組合，用戶會(huì)對(duì)某些設(shè)計(jì)架構(gòu)產(chǎn)生熟悉性和依賴性。生態(tài)環(huán)境方面，F(xiàn)PGA廠商都有專(zhuān)門(mén)的第三方IP開(kāi)發(fā)者，獨(dú)立的應(yīng)用支持和培訓(xùn)教育體系。

　　除了毛利率，近5年年FPGA在半導(dǎo)體器件中享有最高的增速。2009-2014年，根據(jù)ICInsight測(cè)算，F(xiàn)PGA的年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)15.6%，遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體行業(yè)9.6%的增速。

　　3.2、市場(chǎng)容量從50億美元向400億美元滲透

　　FPGA的市場(chǎng)容量在50億美元左右。不過(guò)，目前FPAG大有替代ASIC和和ASSP等傳統(tǒng)芯片的趨勢(shì)。“只要能在FPGA上設(shè)計(jì)的，就用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)””。賽靈思的一位客戶如是說(shuō)，而這句話也給予了FPGA廠商們最大的信心。在Xilinx最新公布的28nm藍(lán)圖顯示，在無(wú)線/有限通訊、工業(yè)/醫(yī)療、航空/國(guó)防、汽車(chē)甚至消費(fèi)電子中，F(xiàn)PGA都有著取代ASIC的基礎(chǔ)。因此，Xilinx公司亞太區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)鄭馨南鄭馨南雄心勃勃地預(yù)言：“FPGA應(yīng)用將不斷加快，從面向50億美元的市場(chǎng)擴(kuò)展到面向410億美元的市場(chǎng)?！逼渲?，ASIC和和ASSP市場(chǎng)各150億美元，嵌入式處理和高性能能DSP市場(chǎng)各30億美元。

　　3.3、半導(dǎo)體領(lǐng)域摩爾定律的堅(jiān)定執(zhí)行者

　　FPGA是發(fā)展30年來(lái)一直是摩爾定律的堅(jiān)定執(zhí)行者。1985年，Xilinx推出第一款FPGA產(chǎn)品—XC2064，采用2μm工藝;2015年，Xilinx推出了采用最新16nm工藝的FPGA產(chǎn)品。最近，臺(tái)積電和賽靈思就宣布了開(kāi)始7nm工藝技術(shù)的合作，并將于2017年推出7nm工藝的產(chǎn)品這是在實(shí)現(xiàn)16nm工藝后，F(xiàn)PGA繼續(xù)延續(xù)新工藝。

　　FPGA的商業(yè)模式是眾多的客戶來(lái)分擔(dān)芯片研發(fā)(NRE)費(fèi)用，而ASIC是需要廠商自己承擔(dān)。制程20nm以下，NRE費(fèi)用高的驚人，稍有不慎，好幾百萬(wàn)美元就打水漂，沒(méi)有哪個(gè)ASIC廠商敢這么燒錢(qián)。這就是FPGA的先進(jìn)工藝采用速度高于ASIC廠商的主因。另外，且越是先進(jìn)的工藝技術(shù)，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢(shì)越明顯，它可以大幅度降低功耗，提升晶體管數(shù)量，這也是廠商推動(dòng)采用最先進(jìn)半導(dǎo)體制程的原因。

　　3.4、行業(yè)格局雙寡頭，中國(guó)占全球比重極低

　　2014年FPGA的市場(chǎng)容量在50億美元，行業(yè)格局典型的雙寡頭，主要4家生產(chǎn)廠家都在美國(guó)。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA器件的廠家主要有Xilinx(賽靈思)、Altera(阿爾特拉)、Lattice(萊迪思)和Microsemi(美高森美)，這四家公司都在美國(guó)，總共占據(jù)了98%以上的市場(chǎng)份額。其中全球份額Xilinx占49%，另一家Altera占39%，剩余的占比12%。目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)FPAG的上市公司有僅有同方國(guó)芯，而非上市公司有京微雅格和和AgateLogic等。目前國(guó)內(nèi)FPGA多用于的通訊、軍工、航空航天等領(lǐng)域，產(chǎn)量占全球比重極低。

　　3.5、對(duì)中國(guó)的機(jī)會(huì)：市場(chǎng)在中國(guó)、技術(shù)在發(fā)展

　　FPGA說(shuō)的這么好，和中國(guó)廠商由于什么關(guān)系?畢竟沉淀幾十年的核心技術(shù)都在美國(guó)，日本和歐洲都不一定行。我想說(shuō)的是，目光可以看得長(zhǎng)遠(yuǎn)些。竟畢竟FPGA最大的需求市場(chǎng)在中國(guó)，同時(shí)我們的FPGA的技術(shù)未必比別人落后太多。

　　我們?cè)c國(guó)內(nèi)一線IC設(shè)計(jì)師深入交流，一個(gè)重要的結(jié)論是芯片的自主設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關(guān)的基礎(chǔ)芯片(手機(jī)芯片、PC處理器等)需要實(shí)現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術(shù)和供給幾乎全部來(lái)源于美國(guó)，包括歐洲和日本等技術(shù)強(qiáng)國(guó)也沒(méi)有掌握到核心技術(shù)。

　　對(duì)于中國(guó)而言，國(guó)家促進(jìn)集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國(guó)家戰(zhàn)略。同時(shí)特殊的應(yīng)用場(chǎng)景(軍工、導(dǎo)彈、航天航空)的要求的FPGA，國(guó)外對(duì)中國(guó)是禁運(yùn)的，這也從另一方面促成國(guó)內(nèi)FPGA自制的契機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領(lǐng)域。

　　在民用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)是FPGA需求最大的市場(chǎng)，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國(guó)，通訊市場(chǎng)華為中興烽火包攬了全國(guó)60%以上的量。中國(guó)FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場(chǎng)足夠大，有需求就要有相應(yīng)產(chǎn)品來(lái)支持。這對(duì)于國(guó)內(nèi)廠家就是機(jī)會(huì)，目前，同方國(guó)芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實(shí)現(xiàn)一部分的國(guó)產(chǎn)替代。

　　最后，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設(shè)計(jì)能力的不斷加強(qiáng)，我們自己可以自主設(shè)計(jì)和流片ARM架構(gòu)的手機(jī)CPU(海思麒麟、大唐聯(lián)芯)，并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們?cè)谶^(guò)去積累的技術(shù)沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們?cè)贔PGA的特定應(yīng)用領(lǐng)域(軍工、通訊)實(shí)現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來(lái)也可能類(lèi)似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中，這些應(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控。目前，上市公司中，僅有同方國(guó)芯能夠批量提供FPGA，也是我們重點(diǎn)推薦的標(biāo)的。

　　四、FPGA對(duì)國(guó)內(nèi)廠商的機(jī)遇和推薦標(biāo)的

　　4.1、同方國(guó)芯(002049)：FPGA稀缺標(biāo)的，期待“紫光CPU+同方FPGA”

　　FPGA稀缺標(biāo)的，有望成為紫光IC平臺(tái)。同方國(guó)芯旗下子公司國(guó)微電子是國(guó)內(nèi)特種IC的設(shè)計(jì)龍頭，擁有特種IC所需的全部資質(zhì)，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)上市公司中唯一能夠量產(chǎn)FPGA的廠商，稀缺性明顯。公司FPGA、ASIC和特種微處理器常年為軍方穩(wěn)定供貨。數(shù)據(jù)顯示，2014年軍方采購(gòu)國(guó)產(chǎn)IC約7億元，公司的市場(chǎng)占有率在40%以上。軍用市場(chǎng)，公司FPGA用于航空航天、陸空無(wú)線通訊等領(lǐng)域。軍用FPGA市場(chǎng)壁壘極高，需要較長(zhǎng)時(shí)間的資質(zhì)和信息安全認(rèn)證，公司FPGA在國(guó)內(nèi)軍用市場(chǎng)的有極強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。同方國(guó)芯作為紫光集團(tuán)的IC平臺(tái)，擁有國(guó)內(nèi)第一梯隊(duì)的IC設(shè)計(jì)實(shí)力。尤其在紫光集團(tuán)收購(gòu)展訊、銳迪科后，大有國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)霸主的趨勢(shì)。以紫光集團(tuán)IC發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，未來(lái)或?qū)⒊霈F(xiàn)“紫光CPU+同方FPGA”。

　　軍轉(zhuǎn)民和進(jìn)口替代空間大，定增募投FPAG。目前FPGA市場(chǎng)全球呈現(xiàn)雙寡頭格局，Altera和Xilinx的全球市場(chǎng)占有率超過(guò)90%，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)能幾乎忽略不計(jì)。目前，民用市場(chǎng)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)FPGA幾乎全靠進(jìn)口，其中華為和中興包攬了50%以上的進(jìn)口量。國(guó)內(nèi)是FPGA需求最大的市場(chǎng)，Xilinx、Altera最大的客戶就在中國(guó)。公司FPGA具有稀缺性，同時(shí)在國(guó)內(nèi)軍用領(lǐng)域已經(jīng)獲得認(rèn)可。如果未來(lái)FPGA在行業(yè)巨頭的推動(dòng)下，成為大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的趨勢(shì)性IC，F(xiàn)PGA在國(guó)內(nèi)主要用于國(guó)防和通訊領(lǐng)域，未來(lái)也可能類(lèi)似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中。這些應(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控，軍轉(zhuǎn)民和進(jìn)口替代空間巨大。2015年公司定增25億元，其中11.2億元布局FPGA業(yè)務(wù)，國(guó)微電子FPGA產(chǎn)品在民用市場(chǎng)的通信領(lǐng)域已經(jīng)和華為、中興合作開(kāi)發(fā)和研制產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2017年有望實(shí)現(xiàn)民用通訊領(lǐng)域應(yīng)用量產(chǎn)。

　　金融和健康IC卡穩(wěn)步增長(zhǎng)，成長(zhǎng)型市場(chǎng)的現(xiàn)金奶牛。公司三大業(yè)務(wù)板塊，除了上面提及的特種IC(國(guó)微電子)，另外兩塊業(yè)務(wù)為智能卡IC(同方微電子)和晶體業(yè)務(wù)(晶源電子)，2014年收入占比智能卡IC(53%)、特種IC(29%)和晶體業(yè)務(wù)(17%)。目前智能卡IC是公司成長(zhǎng)型市場(chǎng)的現(xiàn)金奶牛，2014年凈利潤(rùn)2.3億元，凈利潤(rùn)貢獻(xiàn)比例54%。具體來(lái)看，同方微電子在金融IC領(lǐng)域公司目前完成超過(guò)10家銀行的銀行卡芯片認(rèn)證，國(guó)內(nèi)銀行卡存量50億張，每年新增量約7億張左右，市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)在200億元，公司在金融IC的市場(chǎng)份額在25%。此外，SIM卡芯片2014年銷(xiāo)量11億片，占全球份額超過(guò)20%;同時(shí)公司為國(guó)內(nèi)四家二代身份證芯片供應(yīng)商之一，市場(chǎng)份額穩(wěn)定在25%附近;2014年健康卡芯片銷(xiāo)量突破千萬(wàn)，占全國(guó)市場(chǎng)份額超過(guò)50%。我們認(rèn)為這部分市穩(wěn)健向好，能夠?yàn)楣咎峁┓€(wěn)定和持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)金流。

　　800億打造Memory航母，進(jìn)口替代空間極大。公司11月5日公告，擬以27.04元/股發(fā)行29.59億股，募資金額800億元投向集成電路業(yè)務(wù)，主要用于：12萬(wàn)片/月的Flash晶圓產(chǎn)能(600億)+臺(tái)灣力成科技25%股權(quán)(38億)+產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司收購(gòu)(162億)。定增后形成全產(chǎn)業(yè)鏈IDM布局：上游設(shè)計(jì)(西安華芯)+中游制造(本次定增募投)+下游測(cè)封(臺(tái)灣力成)。本次定增前中國(guó)Flash產(chǎn)能占全球幾乎為零，預(yù)計(jì)公司滿產(chǎn)后項(xiàng)目滿產(chǎn)后占全球產(chǎn)能10%左右，進(jìn)入全球存儲(chǔ)第一梯隊(duì)。2014年國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)市場(chǎng)規(guī)模2400億元，占全球市場(chǎng)29%，進(jìn)口依賴在95%以上。預(yù)計(jì)未來(lái)5年國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)市場(chǎng)復(fù)合增速達(dá)10%，到2020年國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)規(guī)模達(dá)到4000億元規(guī)模，未來(lái)進(jìn)口替代空間極大。

　　給予“謹(jǐn)慎推薦”評(píng)級(jí)。公司是國(guó)內(nèi)上市公司中唯一能夠量產(chǎn)FPGA的廠商，稀缺性明顯。公司生產(chǎn)的FPGA在軍用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，目前民用領(lǐng)域正在與華為、中興合作開(kāi)發(fā)和研制產(chǎn)品。如果未來(lái)FPGA在行業(yè)巨頭的推動(dòng)下，成為大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的趨勢(shì)性IC，F(xiàn)PGA在國(guó)內(nèi)主要用于國(guó)防和通訊領(lǐng)域，未來(lái)也可能類(lèi)似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中。這些應(yīng)用領(lǐng)域都是信息高度敏高的地方，使用自主設(shè)計(jì)的芯片更能實(shí)現(xiàn)安全可控，同時(shí)未來(lái)軍轉(zhuǎn)民和進(jìn)口替代空間巨大。我們預(yù)計(jì)公司2015-2017年EPS為0.67、0.87和1.14元，對(duì)應(yīng)PE為94.0、72.4和55.2倍，公司停盤(pán)后漲幅近1倍，短期來(lái)看估值壓力較大，給予“謹(jǐn)慎推薦”評(píng)級(jí)。

　　風(fēng)險(xiǎn)提示。FPGA進(jìn)口替代和軍轉(zhuǎn)民進(jìn)展低于預(yù)期、智能卡IC業(yè)務(wù)出現(xiàn)下滑。