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、開周期短的“萬能芯片”

　　2.1、可編程的“萬能芯片”

　　FPGA(FieldProgrammableGateArrays)—現(xiàn)場可編程門陣列，是指一切通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結構和邏輯單元，完成既定設計功能的數(shù)字集成電路。FPGA可以實現(xiàn)怎樣的能力，主要取決于它所提供的門電路的規(guī)模。如果門電路的規(guī)模足夠大，F(xiàn)PGA通過編程可以實現(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)場進行即時編程，以修改內(nèi)部的硬件邏輯，從而實現(xiàn)任意邏輯功能。這一點是ASIC和和DSP都無法做到的。形象點來說，傳統(tǒng)的ASIC和DSP等于一張出廠時就寫有數(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)或聽到音樂;而FPGA是一張出廠時的空白的CD，需要用戶自己使用刻錄機燒寫數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤里，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù)，反復刻錄。

　　2.2、可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計算效率高

　　FPGA的核心優(yōu)點，總結下來三點：可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計算可編程靈活性高。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提供的門電路規(guī)模足夠大，通過編程可以實現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復，不像ASIC設計后固化不能修改。所以，F(xiàn)PGA的靈活性也較高。實際應用中，F(xiàn)PGA的現(xiàn)場可重復編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，而不是替換和設計芯片(設計和)時間成本巨大)，甚至FPGA可通過因特網(wǎng)進行遠程升級。

　　開發(fā)周期短。ASIC制造流程包括邏輯實現(xiàn)、布線處理和流片等多個步驟，而FPGA無需布線、掩模和定制流片等，芯片開發(fā)大大簡化。傳統(tǒng)的ASIC和SoC設計周期平均是14個月到24個月，用FPGA進行開發(fā)時間可以平均降低55%。全球FPGA第一大廠商Xilinx認為，更快比更便宜重要，產(chǎn)品晚上市六個月5年內(nèi)將少33%的利潤，每晚四周等于損失14%的市場份額。

　　并行計算效率高。FPGA屬于并行計算，一次可執(zhí)行多個指令的算法，而傳統(tǒng)的ASIC、DSP甚至CPU都是串行計算，一次只能處理一個指令集，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，但對部分特殊的任務，大量相對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，F(xiàn)PGA內(nèi)部其實并沒有所謂的“計算”，最終結果幾乎是類似于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、功耗和編程設計

　　今年9月，我們曾與國內(nèi)一線IC設計師對FPAG的未來發(fā)展進入深入交流?？偨Y來下，如果未來FPGA價格到低一定程度，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、功耗和編程設計。

　　成本。如果ASIC流片量大，實現(xiàn)同樣邏輯的FPGA成本將是ASIC的10倍以上。按照上面的初步測算，以5萬片流片為零界點，低于5萬片的小批量多批次的專用控制設別(如雷達、航天飛機、汽車電子、路由器，這些高價值、批量相對較小、多通道計算的專用設備)采用FPGA更加經(jīng)濟劃算。

　　功耗。FPGA中的芯片的面積比ASIC更大，這是因為FPGA廠商并不知道下游的具體需求應用，故在芯片中裝入規(guī)模巨大的門電路(其實很多沒有使用到)，行業(yè)深度報告：FPGA—大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代大有可為國防、汽車等，這些領域?qū)Φ凸囊蟛桓摺?/p>

　　編程設計。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，編程設計時還要考慮應用場景多樣性、復雜性和效率。FPGA編程需要采用的專用工具進行HDL編譯，再燒錄至FPGA中，其技術門檻非常高。

　　三、FPGA—毛利率高、增速快、進口替代空間大

　　3.1、半導體領域最高毛利率和最高增速

　　FPGA廠商在半導體領域享有最高的毛利率。2010年根據(jù)半導體公司調(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營業(yè)收入19.3億美元，凈利潤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(電子設計自動化)工具廠商MentorGraphics公司CEOWaldenC.Rhines分析認為，F(xiàn)PGA廠商的差異化做得好，下游客戶轉(zhuǎn)換成本非常高。具體來看，體現(xiàn)在產(chǎn)品的差異化、基礎架構和生態(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，具有法律約束(專利組合和版權)，在每個工藝節(jié)點率先產(chǎn)品上市?；A架構方面，不同供應商提供自己特殊的IP組合，用戶會對某些設計架構產(chǎn)生熟悉性和依賴性。生態(tài)環(huán)境方面，F(xiàn)PGA廠商都有專門的第三方IP開發(fā)者，獨立的應用支持和培訓教育體系。

　　除了毛利率，近5年年FPGA在半導體器件中享有最高的增速。2009-2014年，根據(jù)ICInsight測算，F(xiàn)PGA的年復合增長率高達15.6%，遠高于半導體行業(yè)9.6%的增速。

　　3.2、市場容量從50億美元向400億美元滲透

　　FPGA的市場容量在50億美元左右。不過，目前FPAG大有替代ASIC和和ASSP等傳統(tǒng)芯片的趨勢。“只要能在FPGA上設計的，就用FPGA進行設計””。賽靈思的一位客戶如是說，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藍圖顯示，在無線/有限通訊、工業(yè)/醫(yī)療、航空/國防、汽車甚至消費電子中，F(xiàn)PGA都有著取代ASIC的基礎。因此，Xilinx公司亞太區(qū)市場營銷總監(jiān)鄭馨南鄭馨南雄心勃勃地預言：“FPGA應用將不斷加快，從面向50億美元的市場擴展到面向410億美元的市場。”其中，ASIC和和ASSP市場各150億美元，嵌入式處理和高性能能DSP市場各30億美元。

　　3.3、半導體領域摩爾定律的堅定執(zhí)行者

　　FPGA是發(fā)展30年來一直是摩爾定律的堅定執(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，臺積電和賽靈思就宣布了開始7nm工藝技術的合作，并將于2017年推出7nm工藝的產(chǎn)品這是在實現(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分擔芯片研發(fā)(NRE)費用，而ASIC是需要廠商自己承擔。制程20nm以下，NRE費用高的驚人，稍有不慎，好幾百萬美元就打水漂，沒有哪個ASIC廠商敢這么燒錢。這就是FPGA的先進工藝采用速度高于ASIC廠商的主因。另外，且越是先進的工藝技術，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢越明顯，它可以大幅度降低功耗，提升晶體管數(shù)量，這也是廠商推動采用最先進半導體制程的原因。

　　3.4、行業(yè)格局雙寡頭，中國占全球比重極低

　　2014年FPGA的市場容量在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。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，總共占據(jù)了98%以上的市場份額。其中全球份額Xilinx占49%，另一家Altera占39%，剩余的占比12%。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)FPAG的上市公司有僅有同方國芯，而非上市公司有京微雅格和和AgateLogic等。目前國內(nèi)FPGA多用于的通訊、軍工、航空航天等領域，產(chǎn)量占全球比重極低。

　　3.5、對中國的機會：市場在中國、技術在發(fā)展

　　FPGA說的這么好，和中國廠商由于什么關系?畢竟沉淀幾十年的核心技術都在美國，日本和歐洲都不一定行。我想說的是，目光可以看得長遠些。竟畢竟FPGA最大的需求市場在中國，同時我們的FPGA的技術未必比別人落后太多。

　　我們曾與國內(nèi)一線IC設計師深入交流，一個重要的結論是芯片的自主設計是實現(xiàn)信息安全的最底層保障。這也是為什么與信息處理相關的基礎芯片(手機芯片、PC處理器等)需要實現(xiàn)自制的原因。在目前FPGA的技術和供給幾乎全部來源于美國，包括歐洲和日本等技術強國也沒有掌握到核心技術。

　　對于中國而言，國家促進集成電路發(fā)展已經(jīng)提升至國家戰(zhàn)略。同時特殊的應用場景(軍工、導彈、航天航空)的要求的FPGA，國外對中國是禁運的，這也從另一方面促成國內(nèi)FPGA自制的契機。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的FPGA主要用于軍工、通訊、航空航天等領域。

　　在民用領域，國內(nèi)是FPGA需求最大的市場，現(xiàn)在Xilinx、Altera最大的客戶就在中國，通訊市場華為中興烽火包攬了全國60%以上的量。中國FPGA的發(fā)展紅利在于需求市場足夠大，有需求就要有相應產(chǎn)品來支持。這對于國內(nèi)廠家就是機會，目前，同方國芯片已經(jīng)和華為中興合作，想實現(xiàn)一部分的國產(chǎn)替代。

　　最后，從技術角度來說，我們已經(jīng)不像10年前基本不懂核心技術。國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟完善，以及芯片設計能力的不斷加強，我們自己可以自主設計和流片ARM架構的手機CPU(海思麒麟、大唐聯(lián)芯)，并成功實現(xiàn)商業(yè)化，這在10年前都不敢相信。在我們在過去積累的技術沉淀和創(chuàng)新能力，已經(jīng)使得我們在FPGA的特定應用領域(軍工、通訊)實現(xiàn)一定程度上的自我供給。未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中，這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現(xiàn)安全可控。目前，上市公司中，僅有同方國芯能夠批量提供FPGA，也是我們重點推薦的標的。

　　四、FPGA對國內(nèi)廠商的機遇和推薦標的

　　4.1、同方國芯(002049)：FPGA稀缺標的，期待“紫光CPU+同方FPGA”

　　FPGA稀缺標的，有望成為紫光IC平臺。同方國芯旗下子公司國微電子是國內(nèi)特種IC的設計龍頭，擁有特種IC所需的全部資質(zhì)，同時也是國內(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年軍方采購國產(chǎn)IC約7億元，公司的市場占有率在40%以上。軍用市場，公司FPGA用于航空航天、陸空無線通訊等領域。軍用FPGA市場壁壘極高，需要較長時間的資質(zhì)和信息安全認證，公司FPGA在國內(nèi)軍用市場的有極強的先發(fā)優(yōu)勢。同方國芯作為紫光集團的IC平臺，擁有國內(nèi)第一梯隊的IC設計實力。尤其在紫光集團收購展訊、銳迪科后，大有國內(nèi)IC設計霸主的趨勢。以紫光集團IC發(fā)展進程來看，未來或?qū)⒊霈F(xiàn)“紫光CPU+同方FPGA”。

　　軍轉(zhuǎn)民和進口替代空間大，定增募投FPAG。目前FPGA市場全球呈現(xiàn)雙寡頭格局，Altera和Xilinx的全球市場占有率超過90%，國內(nèi)的產(chǎn)能幾乎忽略不計。目前，民用市場領域國內(nèi)FPGA幾乎全靠進口，其中華為和中興包攬了50%以上的進口量。國內(nèi)是FPGA需求最大的市場，Xilinx、Altera最大的客戶就在中國。公司FPGA具有稀缺性，同時在國內(nèi)軍用領域已經(jīng)獲得認可。如果未來FPGA在行業(yè)巨頭的推動下，成為大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代的趨勢性IC，F(xiàn)PGA在國內(nèi)主要用于國防和通訊領域，未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中。這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現(xiàn)安全可控，軍轉(zhuǎn)民和進口替代空間巨大。2015年公司定增25億元，其中11.2億元布局FPGA業(yè)務，國微電子FPGA產(chǎn)品在民用市場的通信領域已經(jīng)和華為、中興合作開發(fā)和研制產(chǎn)品，預計2017年有望實現(xiàn)民用通訊領域應用量產(chǎn)。

　　金融和健康IC卡穩(wěn)步增長，成長型市場的現(xiàn)金奶牛。公司三大業(yè)務板塊，除了上面提及的特種IC(國微電子)，另外兩塊業(yè)務為智能卡IC(同方微電子)和晶體業(yè)務(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(17%)。目前智能卡IC是公司成長型市場的現(xiàn)金奶牛，2014年凈利潤2.3億元，凈利潤貢獻比例54%。具體來看，同方微電子在金融IC領域公司目前完成超過10家銀行的銀行卡芯片認證，國內(nèi)銀行卡存量50億張，每年新增量約7億張左右，市場空間預計在200億元，公司在金融IC的市場份額在25%。此外，SIM卡芯片2014年銷量11億片，占全球份額超過20%;同時公司為國內(nèi)四家二代身份證芯片供應商之一，市場份額穩(wěn)定在25%附近;2014年健康卡芯片銷量突破千萬，占全國市場份額超過50%。我們認為這部分市穩(wěn)健向好，能夠為公司提供穩(wěn)定和持續(xù)增長的現(xiàn)金流。

　　800億打造Memory航母，進口替代空間極大。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，主要用于：12萬片/月的Flash晶圓產(chǎn)能(600億)+臺灣力成科技25%股權(38億)+產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司收購(162億)。定增后形成全產(chǎn)業(yè)鏈IDM布局：上游設計(西安華芯)+中游制造(本次定增募投)+下游測封(臺灣力成)。本次定增前中國Flash產(chǎn)能占全球幾乎為零，預計公司滿產(chǎn)后項目滿產(chǎn)后占全球產(chǎn)能10%左右，進入全球存儲第一梯隊。2014年國內(nèi)存儲市場規(guī)模2400億元，占全球市場29%，進口依賴在95%以上。預計未來5年國內(nèi)存儲市場復合增速達10%，到2020年國內(nèi)存儲規(guī)模達到4000億元規(guī)模，未來進口替代空間極大。

　　給予“謹慎推薦”評級。公司是國內(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在軍用領域優(yōu)勢明顯，目前民用領域正在與華為、中興合作開發(fā)和研制產(chǎn)品。如果未來FPGA在行業(yè)巨頭的推動下，成為大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代的趨勢性IC，F(xiàn)PGA在國內(nèi)主要用于國防和通訊領域，未來也可能類似于CPU+FPGA用于云數(shù)據(jù)中心節(jié)中。這些應用領域都是信息高度敏高的地方，使用自主設計的芯片更能實現(xiàn)安全可控，同時未來軍轉(zhuǎn)民和進口替代空間巨大。我們預計公司2015-2017年EPS為0.67、0.87和1.14元，對應PE為94.0、72.4和55.2倍，公司停盤后漲幅近1倍，短期來看估值壓力較大，給予“謹慎推薦”評級。

　　風險提示。FPGA進口替代和軍轉(zhuǎn)民進展低于預期、智能卡IC業(yè)務出現(xiàn)下滑。