美股掘金 | FPGA龙头赛灵思的大时代

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赛灵思将持续受益于5G、AI、数据中心、自动驾驶等市场的需求放量

作者 | 昨辰

数据支持 | 勾股大数据(www.gogudata.com)

核心看点:

1、FPGA下游应用场景广泛,需求稳健增长,未来在5G、AI、数据中心、自动驾驶等高算力需求推动下,FPGA芯片市场需求量增长具确定性,据 Frost&Sullivan预计,全球 FPGA 市场规模2025年将有望达到125.8亿美元,16-25年平均CAGR约为 11%;

2、相较CPU、GPU、ASIC 等产品,FPGA芯片利润率较高:中低密度百万门级、千万门级 FPGA 芯片研发企业利润率接近 50%,高密度亿门级 FPGA 芯片研发企业利润率近 70%,赛灵思近十个季度的毛利率保持在65%以上,高于英伟达和AMD同期毛利率;

3、FPGA进入壁垒较高,需软硬件协同开发:FPGA 专用 EDA 软件技术壁垒高,硬件结构复杂且良率低,使得全球FPGA市场呈双寡头垄断竞争格局,其中,赛灵思市占率常年超一半,与Intel(Altera)合计占80%以上的市场份额,行业马太效应明显;

4、受益于5G、AI、自动驾驶等技术演进以及数据中心的发展推动市场规模扩张,近两年FPGA龙头赛灵思实现营收V型反转,FY22Q2营收、毛利、净利均保持双位数同比增长;

5、5G时代来临,预计5G移动通信基站未来市场建设规模为千万级别,再加上FPGA的定价与片上资源正相关,未来单价有望进一步提高,因此,作为5G基础设施和终端设备的核心零部件,FPGA有望实现量价齐升;

6、由于其灵活性及高速运算能力,FPGA在AI加速卡领域应用广泛,受益于人工智能领域的广阔发展前景,未来应用于AI领域的FPGA 需求量将持续向好;

7、数据中心FPGA主要用于硬件加速,低延迟+高吞吐奠定了FPGA 的核心优势,相比传统的 CPU 方案后,采用FPGA方案处理自定义算法可实现显著的加速效果,从 2016 年开始,微软 Azure、亚马逊 AWS、阿里云的服务器上都开始部署 FPGA 加速器;

8、采用FPGA的异构计算平台,能够处理因传感器数量增多所带来的数据爆炸性增长,缩短将多传感器同步和融合所带来的系统整体响应时间,并提升灵活性和扩展性,实现从边缘传感器到域控制器的可扩展性,同时提供动态重编程能力,降低系统成本与损耗,20年6月中旬,FPGA龙头赛灵思已有约7000万颗汽车芯片用于ADAS中;

9、未来,在5G浪潮推动下,FPGA有望实现量价齐升,同时FPGA龙头赛灵思也将持续受益于AI、数据中心、自动驾驶等FPGA应用市场的需求放量。

作为逻辑芯片的分支之一,FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)芯片基于可编程器件(PAL、GAL)发展而来,是半定制化、可编程的集成电路,被称为“万能芯片”。FPGA具备现场可编程性(灵活性高),上市时间短(节省流片周期),成本低于完全定制化的ASIC(节省流片费用),相较通用型产品拥有更大的并行度等优势。

FPGA下游应用场景广泛,需求稳健增长,主要覆盖网络通信(5G)、工业物联网、消费电子、数据中心、汽车电子(自动驾驶)、人工智能(AI)等领域。其中,网络通信、消费电子、汽车电子是其主要应用场景,占比总需求 80%以上。未来在5G、AI、数据中心、自动驾驶等高算力需求推动下,FPGA芯片市场需求量增长具确定性。另外,随着Intel、AMD等公司逐步在高算力场景中将CPU与FPGA结合,加大对异构计算的投入,全球 FPGA市场规模还会进一步打开。据 Frost&Sullivan预计,全球 FPGA 市场规模2025年将有望达到125.8亿美元,16-25年平均CAGR约为 11%。

相较CPU、GPU、ASIC 等产品,FPGA 芯片利润率较高。据悉,中低密度百万门级、千万门级 FPGA 芯片研发企业利润率接近 50%,高密度亿门级 FPGA 芯片研发企业利润率近 70%。如下图所示,赛灵思近十个季度的毛利率保持在65%以上,高于英伟达和AMD同期毛利率。

FPGA进入壁垒较高,需软硬件协同开发:FPGA 专用 EDA 软件技术壁垒高,硬件结构复杂且良率低,因此全球FPGA市场常年处于双寡头垄断竞争格局,前四大巨头为Xilinx、Intel(Altera)、Lattice和Microchip,CR4≥90%。其中,赛灵思在全球FPGA的市场份额常年在50%以上,Top1集中度仅次于 PC CPU、GPU 市场,与Intel(Altera)合计占80%以上的FPGA市场份额,行业马太效应明显。

FPGA两大重要指标:工艺制程和逻辑门密度

FPGA需求结构目前仍以 28nm以上制程与100K 以下逻辑单元为主。

在工艺制程方面,由于具备较高的性价比和良品率,28-90nm制程的FPGA芯片占据主要地位。而先进制程则具有更低功耗和更高性能,预计28nm以下制程的FPGA芯片将进入快速发展时期。在逻辑门密度方面,目前 100K 以下逻辑单元的 FPGA 芯片需求量最大,其次是100K-500K 逻辑单元部分。

作为赛灵思最大的市场,亚太地区(尤其是中国)对公司的营收有着举足轻重的影响。据Frost&Sullivan,2019 年以销售额计的中国FPGA市场,28-90nm制程,与28nm 以下制程的 FPGA 芯片市占率分别为63.3%和20.9%;100K以下逻辑单元,与100K-500K逻辑单元的FPGA 芯片市占率分别为 38.2%和31.7%。

受益于5G、AI、自动驾驶等技术演进以及数据中心的发展推动市场规模扩张,近两年FPGA龙头赛灵思实现营收V型反转。赛灵思FY22Q2营收同比增22.1%至9.36亿美元;毛利同比增16.7%至6.32亿美元;净利同比增21%至2.35亿美元。

截止22年1月11日收盘,赛灵思21年涨幅为49.84%,22年至今涨幅为-5.43%,跑输同期标普500指数ETF(SPY:-1.1%)、费城半导体指数(SOXX:-2.04%)及纳指100ETF(QQQ:-3.02%)的涨幅。

赛灵思(Xilinx)成立于1984年,并于同年发明现场可编程逻辑门阵列(FPGA),是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。作为FPGA、可编程SoC及ACAP的发明者,赛灵思致力于为业界提供最灵活的处理器技术,其高度灵活的可编程芯片由一系列先进的软件和工具提供支持,可用于网络通信、汽车电子、消费电子和数据中心等领域。目前,公司满足了全世界对 FPGA产品50%以上的需求。

赛灵思的营收主要源于AIT(航空航天与国防、工业、测试与测量部门),汽车、广播和消费电子,有线和无线以及数据中心四大业务。

通信领域是FPGA应用最广泛的场景

相较于其他类型的芯片,一方面,FPGA的可编程特性(灵活性)高度契合通信协议持续迭代升级的特点;另一方面,FPGA极强的实时处理和并行处理能力,可以有效满足通信领域高速的通信协议处理需求。因此,FPGA 芯片被大量应用在无线通信和有线通信设备中。

5G时代来临,FPGA量价齐升。在数量方面,由于5G无线电的频率更高,要想达到与4G同样的覆盖目标,大约需要4G基站数量的3-4倍(以中国为例,截止20年底,中国移动通信基站总数达931万个,全年净增90万个,其中4G基站总数达575万个),预计未来市场建设规模为千万级别。同时,由于大规模天线整列的高并发处理需求,相比4G单基站,5G单基站FPGA用量将从原来的2-3块提升至4-5块。因此,作为5G基础设施和终端设备的核心零部件,FPGA用量也会随之提升。在单价方面,FPGA主要用于收发器的基带中,5G时代由于通道数的增加,计算复杂度增加,所用FPGA的规模将增加,而由于FPGA的定价与片上资源正相关,未来单价有望进一步提高。FY22Q2,赛灵思有线与无线营收同比增45.6%至2.9亿美元,占总收入的31%。

2019-2028年中国及全球5G基站(无线主设备)投资规模预测(亿元)

来源:智研资讯,方正证券

FPGA可以用作数据中心加速器、AI 加速器、SmartNIC(智能网卡) 以及网络基础设施中的加速器。近些年来,由于人工智能、云计算、高性能计算(HPC)、自动驾驶等的繁荣,给FPGA带来新的市场推动力,催化增量空间。

AI 加速卡拉动 FPGA 需求

由于其灵活性及高速运算能力,FPGA在AI加速卡领域应用广泛。与 GPU 相比,FPGA具备明显的能效优势;与 ASIC 相比,FPGA具备的更强灵活性,能够匹配AI 神经网络较快的演进速度,跟上算法的迭代更新。受益于人工智能领域的广阔发展前景,未来应用于AI领域的FPGA 需求量将持续向好。据SemicoResearch预测,AI应用场景中FPGA的市场规模将在19-23年增长3倍,达到52亿美元。相比于21年83 亿美元的 FPGA 市场,AI 领域的应用潜力不可小觑。

FPGA在AI应用领域的潜力巨大

来源:方正证券

FPGA更有前景的市场是数据中心

数据中心是FPGA 芯片的新兴应用市场之一,低延迟+高吞吐奠定了FPGA的核心优势。数据中心FPGA 主要用于硬件加速,相比传统的 CPU 方案后,处理自定义算法时可实现显著的加速效果:如微软 Catapult 项目在数据中心使用FPGA 代替 CPU 方案后,处理 Bing 的自定义算法时快出 40 倍,加速效果显著。因此,从 2016 年开始,微软 Azure、亚马逊 AWS、阿里云的服务器上都开始部署 FPGA 加速器用于运算加速。在疫情加速全球数字化转型的背景下,未来数据中心对芯片性能的要求将进一步提高,更多数据中心将采纳 FPGA 芯片方案,这也将提高 FPGA 芯片在数据中心芯片中的价值占比。

数据来源:Gartner,Cisco,中国IDC圈,方正证券

自动驾驶规模化商用提升FPGA量产需求

在汽车行业从ADAS向全面自动驾驶持续演进的过程中,通过采用FPGA的异构计算平台,能够处理因传感器数量增多所带来的数据爆炸性增长,缩短将多传感器同步和融合所带来的系统整体响应时间,并提升灵活性和扩展性,实现从边缘传感器到域控制器的可扩展性,同时提供动态重编程能力,降低系统成本与损耗。另外,FPGA还能够为快速增长的各种汽车电子应用需求提供灵活的低成本高性能解决方案。20年6月中旬,FPGA龙头赛灵思已有约7000万颗汽车芯片用于ADAS中。

AMD收购赛灵思交易案推迟至22Q1完成

继英特尔2015年收购FPGA龙二Altera后,AMD于2020年10月宣布计划斥资350亿美元(股票形式)收购FPGA大厂赛灵思,试图通过进入 FPGA 市场来扩展其 TAM,同时丰富产品线,与现有CPU处理器、GPU显卡、加速计算卡形成完整的高性能计算体系。据21年12月31日最新消息,由于尚未获得所有批准,该收购案预计将在22Q1完成,较原先预期的日程有所延后。

未来,在5G浪潮推动下,FPGA有望实现量价齐升,同时FPGA龙头赛灵思也将持续受益于AI、数据中心、自动驾驶等FPGA应用市场的需求放量。

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