2019年中國(guó)FPGA市場(chǎng)現(xiàn)狀分析、FPGA芯片的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展前景分析[圖]

FPGA 李玲玲 2019-10-16 06:19 來(lái)源：智研咨詢(xún)

1、FPGA的概念

FPGA即Field-ProgrammableGateArray的縮寫(xiě),即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列,它是基于PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上形成再次發(fā)展的成品。它出現(xiàn)的形式是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路,這種形式的半定制電路既能夠彌補(bǔ)定制電路的不足,又能夠改正原來(lái)的可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的不足。FPGA是由可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線(xiàn)三個(gè)部分組成的。FPGA對(duì)于小批量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很好的選擇,可以提高系統(tǒng)的集成度。

2、FPGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

1）FPGA技術(shù)的性能很好

根據(jù)對(duì)FPGA的分析表明,在FPGA的某些應(yīng)用領(lǐng)域方面,FPGA的每分鐘的信號(hào)處理能力與數(shù)字處理信號(hào)DSP相比使其多倍的效率,這是因?yàn)镕PGA在性能方面打破了傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的模式,利用硬件并行的優(yōu)勢(shì),在運(yùn)行處理速率方面做了很大的提升,其可以在每個(gè)周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù),完全超過(guò)了數(shù)字處理信號(hào)的運(yùn)算速率。FPGA的性能主要體現(xiàn)在其為了滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求在硬件層面的控制輸入和輸出方面進(jìn)行了很大的完善,為應(yīng)用領(lǐng)域提供了更加專(zhuān)業(yè)化、更加快速的運(yùn)算處理系統(tǒng)。

2）FPGA技術(shù)的設(shè)計(jì)成本較低

在自定制ASIC設(shè)計(jì)的非經(jīng)常性工程中產(chǎn)生的費(fèi)用與基于FPGA的硬件解決方案所產(chǎn)生的費(fèi)用相比前者的設(shè)計(jì)成本更高,且高出了很多倍。ASIC在設(shè)計(jì)初期為設(shè)備制造商在運(yùn)輸數(shù)千種芯片方面投入了巨大的成本費(fèi)用,但是結(jié)果表明更多的用戶(hù)使用自定義的硬件功能就能解決自身對(duì)芯片的需求,FPGA的芯片特性注定在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候可以節(jié)省更多的成本投資,FPGA芯片的交貨組裝時(shí)間與ASIC相比也較短,因此,FPGA的設(shè)計(jì)成本不僅較低,而且完成效率也快。

3）FPGA具有較高的穩(wěn)定性

FPGA使用硬件并行的方式進(jìn)行內(nèi)部的運(yùn)行,其處理器的系統(tǒng)包含了很多個(gè)抽象層,這能在多個(gè)進(jìn)城之間共享資源、計(jì)劃任務(wù),利用驅(qū)動(dòng)從而控制硬件資源的使用。處理器的系統(tǒng)常常會(huì)面臨著限時(shí)任務(wù)相互占取的風(fēng)險(xiǎn),且對(duì)于任何給定的處理器內(nèi)核,談一次只能執(zhí)行一個(gè)指令。但是FPGA不使用這種處理器操作系統(tǒng),它本身具有獨(dú)立的確定性和每項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行硬件,不存在多個(gè)任務(wù)共同執(zhí)行出現(xiàn)相互占取的潛在風(fēng)險(xiǎn),在運(yùn)行的穩(wěn)定性方面提供了一定的保障。

4）FPGA能夠進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)

FPGA是可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的,不用重新設(shè)計(jì)ASIC所涉及的時(shí)間和費(fèi)用的投入,是因?yàn)锳SIC的接口可能存在兼容方面或者維護(hù)方面的問(wèn)題,而數(shù)字通信中就包含了能夠隨時(shí)間進(jìn)行改變的規(guī)范,FPGA就能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況或者改變做出適時(shí)的調(diào)整和修改。

3、FPGA芯片的應(yīng)用

1）應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中

由于自然界中的信號(hào)模擬信號(hào)居多,因此信號(hào)處理系統(tǒng)中都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能,對(duì)于比較常見(jiàn)的低速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器可以采用標(biāo)準(zhǔn)的其它接口或者通信進(jìn)行處理,但是對(duì)于高速的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,一般的信號(hào)處理器就起不了作用,只能使用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2）應(yīng)用到邏輯接口領(lǐng)域

在傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)中,在進(jìn)行與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),為了保障信號(hào)的傳輸質(zhì)量需要的接口數(shù)量太多,導(dǎo)致芯片的體積、能耗等都比較大,不利于進(jìn)行高效的傳輸。

3）應(yīng)用到電平接口領(lǐng)域

在新的技術(shù)不斷出現(xiàn)的大環(huán)境下,在電子產(chǎn)品的應(yīng)用方面,電平標(biāo)準(zhǔn)也必須不斷的做出改變才能迎合電子產(chǎn)品的更新要求,在這種極度混合的電平環(huán)境中,傳統(tǒng)的電平接口并不能滿(mǎn)足電路的需求,導(dǎo)致電路的復(fù)雜性越來(lái)越高,而FPGA可以支持多種電平的存在,將FPGA應(yīng)用到電平接口中可以減少很多不必要的麻煩。

4、全球63億美元市場(chǎng)，Xilinx與Altera雙寡頭

FPGA是集成電路大產(chǎn)業(yè)中的小領(lǐng)域，5G和AI為行業(yè)增長(zhǎng)提供確定性，國(guó)產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)FPGA市場(chǎng)騰飛在即。2018年全球集成電路市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4,688億美元，同期全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模約63億美元，僅占集成電路市場(chǎng)約1.34%。市場(chǎng)雖小，但未來(lái)受益于5G基礎(chǔ)設(shè)施全球布局及AI技術(shù)持續(xù)發(fā)展，F(xiàn)PGA行業(yè)需求量增長(zhǎng)具確定性。行業(yè)增長(zhǎng)下，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程將進(jìn)一步加速?lài)?guó)產(chǎn)FPGA的增長(zhǎng)。2017年國(guó)內(nèi)FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)率低于1%，隨著技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)FPGA騰飛在即。

FPGA在集成電路行業(yè)中位置

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全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)攀升，亞太是FPGA主要市場(chǎng)，未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展可期。全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模2019年達(dá)到69億美元，2025年達(dá)到125億美元，未來(lái)市場(chǎng)增速穩(wěn)中有升。亞太區(qū)占比達(dá)到42%，是FPGA主要市場(chǎng)，中國(guó)FPGA市場(chǎng)規(guī)模約100億人民幣，未來(lái)隨著中國(guó)5G部署及AI技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)FPGA規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

全球FPGA市場(chǎng)規(guī)模

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亞太FPGA市場(chǎng)份額

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國(guó)外三巨頭占據(jù)90%全球市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商暫時(shí)落后。FPGA市場(chǎng)呈現(xiàn)雙寡頭壟斷格局，Xilinx和Altera分別占據(jù)全球市場(chǎng)56%和31%，在中國(guó)FPGA市場(chǎng)中，占比也高達(dá)52%和28%，由于技術(shù)、資金、人才上的壁壘及FPGA量產(chǎn)帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者地位較為穩(wěn)定。國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商目前在中國(guó)市場(chǎng)占比約4%，未來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商技術(shù)突破，F(xiàn)PGA領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)替代或?qū)⑹前賰|級(jí)的機(jī)會(huì)，替代空間廣闊。

全球FPGA市場(chǎng)份額按公司分布

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中國(guó)FPGA市場(chǎng)份額按公司分布

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5、5G+AI催化行業(yè)增長(zhǎng)，下游需求欲乘風(fēng)而起

通信、消費(fèi)電子、汽車(chē)是FPGA下游存量應(yīng)用場(chǎng)景，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。由于相對(duì)于ASIC的三方面優(yōu)勢(shì)（靈活性、上市時(shí)間、成本），F(xiàn)PGA的下游應(yīng)用場(chǎng)景較為豐富，包括：ASIC原型設(shè)計(jì)、汽車(chē)、收發(fā)器、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試/測(cè)量、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通信等。其中通信、消費(fèi)電子和汽車(chē)是主要應(yīng)用場(chǎng)景，2017年三塊場(chǎng)景FPGA需求占總需求比例達(dá)到79.4%，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

FPGA市場(chǎng)規(guī)模按下游應(yīng)用場(chǎng)景分

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應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)保持分散的格局，ASIC在成本上的規(guī)模經(jīng)濟(jì)限制了FPGA應(yīng)用場(chǎng)景的集中度，F(xiàn)PGA不可替代性奠定市場(chǎng)基礎(chǔ)。由于ASIC具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，當(dāng)單一芯片產(chǎn)品用量極大時(shí)（一般為超過(guò)10萬(wàn)片），使用ASIC方案將有成本優(yōu)勢(shì)，因此FPGA的應(yīng)用場(chǎng)景被限制在了用量小、技術(shù)不穩(wěn)定、靈活性需求高的領(lǐng)域，一旦技術(shù)成熟且需求放量，終端廠(chǎng)商就會(huì)考慮ASIC方案替代FPGA方案來(lái)降低成本。但由于FPGA在用量小、技術(shù)不穩(wěn)定及靈活性需求高的領(lǐng)域具有不可替代性，F(xiàn)PGA的市場(chǎng)基礎(chǔ)穩(wěn)固，未來(lái)量的增長(zhǎng)主要看新技術(shù)帶來(lái)的新周期。

國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商產(chǎn)品下游應(yīng)用場(chǎng)景更偏重消費(fèi)電子，未來(lái)在通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)值得期待。2019財(cái)年（財(cái)年結(jié)日為2019年3月30日）其產(chǎn)品終端應(yīng)用場(chǎng)景及占比為通信（36%）、工業(yè)航空及國(guó)防（28%）、數(shù)據(jù)中心及封測(cè)醫(yī)療仿真（20%）、汽車(chē)廣播及消費(fèi)電子（15%）。而國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商由于產(chǎn)品性能相對(duì)落后，在高端民用領(lǐng)域暫時(shí)不具有競(jìng)爭(zhēng)力，但在LED顯示、工業(yè)等領(lǐng)域出貨量較大。隨著國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商技術(shù)突破，未來(lái)在通信市場(chǎng)份額的提高將開(kāi)啟國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商增長(zhǎng)。

1）全球5G浪潮席卷而來(lái)，F(xiàn)PGA量?jī)r(jià)齊升在即

FPGA是5G基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備的零部件，5G全球部署持續(xù)推進(jìn)，基站、IoT、終端設(shè)備、邊緣計(jì)算的FPGA用量將顯著提升。通信是FPGA下游應(yīng)用場(chǎng)景中規(guī)模最大的分支，F(xiàn)PGA通信市場(chǎng)規(guī)模2017年達(dá)23.5億美元，占整體FPGA應(yīng)用市場(chǎng)比例超40%，2017-2025年CAGR預(yù)計(jì)8%。全球5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程下，F(xiàn)PGA作為核心零部件，用量也會(huì)隨之提升，5G應(yīng)用中，IoT、終端設(shè)備及邊緣計(jì)算領(lǐng)域的FPGA需求也將增長(zhǎng)。未來(lái)在通信市場(chǎng)的增長(zhǎng)具有確定性。相比較CPU和GPU，通信領(lǐng)域FPGA在I/O、運(yùn)算速度及延遲上均具有優(yōu)勢(shì)。在5G建設(shè)初期，F(xiàn)PGA可以被用于基站天線(xiàn)的收發(fā)器中，5G時(shí)代MassiveMIMO技術(shù)讓收發(fā)通道數(shù)從16T16R提高到64T64R甚至128T128R，F(xiàn)PGA可以用于多通道信號(hào)波束成形。目前業(yè)界在FPGA和ASIC方案的選擇上具有差異，京信通信等公司采用更加靈活的FPGA方案。

64通道毫米波MIMO全DBF收發(fā)器簡(jiǎn)化框圖

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以一個(gè)64通道毫米波MIMO全DBF收發(fā)器為例，如圖收發(fā)器分為兩部分，左半部分為中頻&基帶子系統(tǒng)，包涵Xilinx的Kintex-7FPGA；右半部分為毫米波收發(fā)器射頻前端，包涵中頻振蕩器及電源管理模組等。每一個(gè)基帶子板(basebanddaughterboard)中都具有一塊Xilinx’sKintex-7FPGA，2個(gè)雙通道12-bitADC，1個(gè)4通道16-bitDAC，2個(gè)QSFP+光接口用于通用無(wú)線(xiàn)接入。

5G時(shí)代，F(xiàn)PGA面臨價(jià)提量升。

價(jià)提：FPGA主要用在收發(fā)器的基帶中，5G時(shí)代由于通道數(shù)的增加，計(jì)算復(fù)雜度增加，所用FPGA的規(guī)模將增加，由于FPGA的定價(jià)與片上資源正相關(guān)，未來(lái)通信領(lǐng)域FPGA單顆成本也將上升，目前基站收發(fā)器中的FPGA單價(jià)通常在幾百元人民幣的范圍，未來(lái)有望進(jìn)一步提高。收發(fā)器的主要成本和功耗由基帶部分貢獻(xiàn)，未來(lái)技術(shù)復(fù)雜度將再次推升收發(fā)器成本，進(jìn)而傳導(dǎo)到基站AAU價(jià)格上升。

量增：5G帶來(lái)的出貨量提高來(lái)源于兩方面，1.通信基站數(shù)量提高帶動(dòng)FPGA零部件用量提高。5G初期基站鋪設(shè)數(shù)量環(huán)比提高，另一方面由于5G信號(hào)衰減較快，小基站需求量巨大，未來(lái)十年有望超1000萬(wàn)座，同比4G時(shí)期增長(zhǎng)明顯。2.單基站FPGA用量提高帶動(dòng)FPGA通信市場(chǎng)用量整體提高。由于5GMassiveMIMO的高并發(fā)處理需求，單基站FPGA用量有望從4G時(shí)期2-3塊提高到5G時(shí)期4-5塊，將帶動(dòng)FPGA整體用量。

中國(guó)5G宏基站出貨進(jìn)度

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中國(guó)5G小基站部署進(jìn)度

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2）自動(dòng)駕駛漸成熟，增量空間大門(mén)打開(kāi)

汽車(chē)半導(dǎo)體389億市場(chǎng)規(guī)模，F(xiàn)PGA目前僅占2.4%，自動(dòng)駕駛發(fā)展將提高FPGA價(jià)值占比。汽車(chē)芯片分為主控芯片和功能芯片（MCU）。主控芯片包括GPU、FPGA、ASIC等，F(xiàn)PGA在汽車(chē)多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其在相機(jī)和傳感器中的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟。汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模2017年達(dá)到388.6億美元，其中FPGA為9.5億美元，占比僅2.44%。FPGA依托其靈活性及并行處理能力，在汽車(chē)的攝像頭及激光雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展將提高FPGA在汽車(chē)半導(dǎo)體中的價(jià)值占比。

汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)份額

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自動(dòng)駕駛等級(jí)定義

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FPGA在未來(lái)汽車(chē)中主要應(yīng)用在ADAS/AD系統(tǒng)、馬達(dá)控制、激光雷達(dá)、車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和駕駛員信息系統(tǒng)，成長(zhǎng)空間可期。以FPGA巨頭Xilinx為例，賽靈思在汽車(chē)上已經(jīng)形成了自生成熟的閉環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，提供從高級(jí)駕駛員輔助駕系統(tǒng)（ADAS）、自動(dòng)駕駛(AD)、激光雷達(dá)到車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)（IVI）和駕駛員信息（DI）的全方面支持。ADAS/AD領(lǐng)域是賽靈思未來(lái)中長(zhǎng)期的增長(zhǎng)點(diǎn)。而汽車(chē)級(jí)ACAP平臺(tái)的推出則是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化駕駛L4的基礎(chǔ)。未來(lái)智能駕駛技術(shù)逐漸成熟，F(xiàn)PGA用量提升空間巨大。

汽車(chē)領(lǐng)域芯片應(yīng)用

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3）數(shù)據(jù)中心部署FPGA，AI加速卡拉動(dòng)FPGA需求

數(shù)據(jù)中心邏輯芯片是百億美元市場(chǎng)，低延遲+高吞吐奠定FPGA核心優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域邏輯芯片市場(chǎng)規(guī)模2017年達(dá)25億美元，2022年有望達(dá)到80-100億美元。數(shù)據(jù)中心FPGA主要用在硬件加速，相比GPU，F(xiàn)PGA在數(shù)據(jù)中心的核心優(yōu)勢(shì)在于低延遲及高吞吐。微軟Catapult項(xiàng)目在數(shù)據(jù)中心使用FPGA代替CPU方案后，處理Bing的自定義算法時(shí)快出40倍，加速效果顯著。數(shù)據(jù)中心對(duì)芯片性能有較高要求，硬件即服務(wù)模式下，未來(lái)更多數(shù)據(jù)中心采納FPGA方案將提高FPGA在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比。

數(shù)據(jù)中心中邏輯芯片市場(chǎng)規(guī)模

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AI應(yīng)用場(chǎng)景的FPGA市場(chǎng)規(guī)模

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AI場(chǎng)景中FPGA市場(chǎng)規(guī)模2023年有望達(dá)52億美元，未來(lái)五年復(fù)合增速達(dá)38.4%。FPGA由于其靈活性及高速運(yùn)算能力，在AI加速卡領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，AI領(lǐng)域FPGA市場(chǎng)規(guī)模2023年有望達(dá)52億美元，相比于目前63億美元的FPGA市場(chǎng)，AI領(lǐng)域的應(yīng)用不可小覷。FPGA在AI領(lǐng)域處理效率及靈活性具有顯著優(yōu)勢(shì)，未來(lái)伴隨AI技術(shù)發(fā)展迎來(lái)增長(zhǎng)。在加速二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BNN）中比較FPGA、CPU、GPU和ASIC，F(xiàn)PGA提供了超過(guò)CPU和GPU的效率。即使CPU和GPU提供高峰理論性能，它們也沒(méi)有得到有效利用，因?yàn)锽NN依賴(lài)于更適合定制硬件的二進(jìn)制bit級(jí)操作。盡管ASIC仍然更高效，但FPGA具有更高的靈活性，無(wú)需鎖定固定的ASIC解決方案。

以CPU上軟件為基準(zhǔn)的性能-大于1為加速，小于1為減速

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以CPU上軟件為基準(zhǔn)的性能/功耗

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性能峰值，如：50%則代表50%的性能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)

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6、國(guó)產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商將進(jìn)入增長(zhǎng)快車(chē)道

全球FPGA市場(chǎng)在5G和AI兩大驅(qū)動(dòng)因子下未來(lái)預(yù)計(jì)享有穩(wěn)健增長(zhǎng)，而目前國(guó)內(nèi)100億人民幣市場(chǎng)中，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商占比僅4%，國(guó)產(chǎn)率極低。未來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程下，替代廠(chǎng)商增速有望顯著高于行業(yè)平均，估值和業(yè)績(jī)有望雙增。我們認(rèn)為國(guó)產(chǎn)替代仍是FPGA行業(yè)投資主線(xiàn)，建議關(guān)注國(guó)產(chǎn)FPGA廠(chǎng)商及其相關(guān)公司的投資機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)FPGA廠(chǎng)商主要有8家：紫光同創(chuàng)、國(guó)微電子、成都華微電子、安路科技、智多晶、高云半導(dǎo)體、上海復(fù)旦微電子和京微齊力。目前營(yíng)收規(guī)模均較小，國(guó)產(chǎn)FPGA目前還處于起步期，專(zhuān)利數(shù)和國(guó)外企業(yè)有較大差距。產(chǎn)品角度來(lái)看，國(guó)產(chǎn)FPGA在硬件性能指標(biāo)上也遠(yuǎn)落后于Xilinx及Altera。

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)FPGA雖落后但追趕進(jìn)度較快，繼紫光同創(chuàng)開(kāi)發(fā)出中國(guó)唯一一款自處產(chǎn)權(quán)千萬(wàn)門(mén)級(jí)高性能FPGAPGT180H以來(lái)，上海復(fù)旦微電子于2018年5月在第二屆中國(guó)高校科技成果交易會(huì)上發(fā)布了新一代自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)億門(mén)級(jí)FPGA產(chǎn)品，新產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超大規(guī)模億門(mén)級(jí)FPGA的空白。未來(lái)隨著更多企業(yè)技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程將持續(xù)推進(jìn)。

國(guó)內(nèi)FPGA主要玩家