軍工電子行業專題報告：探軍工FPGA廠商成長之路

（報告出品方/作者：廣發證券，孟祥傑）

一、軍工 FPGA 的基本盤：高速化、定製化、保密性

（一）Makimoto’s wave 的表現，FPGA 實現成本、效能與功耗的平衡

IC界在定製化與標準化之間的「擺動」是FPGA出現的潛在底層動力的表現。上世紀 80年代末至90年代初，日本Makimoto提出Makimoto's Wave，描述了半導體行業在 標準化與定製化之間的週期性交替，提出了有關晶片創新對計算機革命巨大影響的 見解。Makimoto's Wave指出，應用場景及需求會推動各種定製化的硬體加速架構， 該類市場的繁榮後期往往會進化為一個大一統的架構，如此反覆下晶片架構變會沿 著「標準化」與「定製化」交替發展的路線波動，每約十年波動一次。本質上定製化 與標準化的來回波動取決於多種力量，如推向市場時間、研發成本、運營效率、設計 的便捷性、功耗、新架構等。例如，新器件與新架構試圖實現標準化，但對差異化應 用演算法的需求、高效能與低功耗的渴望又推動IC推向定製化；而設計自動化（EDA） 技術發展加快定製化半導體產品設計週期，而為了能更快推向市場及降低開發成本 又迫使業界偏向標準化。

Xilinx在1985年推出了世界首款商業化FPGA晶片「XC2000」，其自創的門陣列通 用結構推動晶片從定製化向標準化邁進，創新式的結構。據2010年論文《基於LUT 的FPGA工藝對映優化》，FPGA起源於Xilinx公司，該公司於1985年推出世界首塊 FPGA晶片，由邏輯功能塊排成陣列矩陣，並由可程式設計的互連資源連線這些邏輯功能 塊來實現不同的設計，是在前期PAL、GAL、EPLD等可程式設計器件的基礎上進一步發 展的產物。邏輯資源塊是FPGA內部最重要的資源，Xilinx稱其為CLB（configurable logic block），FPGA內部三大主要資源：可程式設計邏輯單元、可程式設計I/O單元、佈線資 源。不同FPGA在結構上的差異主要反映在可程式設計邏輯資源塊上，以Xilinx的7系列 為例，其可程式設計邏輯塊是查詢表（LUT）。查詢表的物理結構是靜態儲存器（SRAM）， 因此通俗的說，可以將FPGA等效於是一片SRAM，而LUT本質為一個RAM，當用戶 通過原理圖或HDL語言描述一個邏輯電路後，FPGA開發軟體會自動計算邏輯電路的 所有可能的結果，並把結構事先寫入RAM，這樣每輸入一個訊號進行邏輯運算就等 同於輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容並完成輸出，繼而實現運算。

因此，從理論上說，只要能夠增加輸入訊號線和擴大儲存容量，查詢表就可以實現任 意多輸入邏輯函數，這也是為何FPGA可實現可程式設計的基礎原因。因為LUT主要適合 SRAM工藝生產，所以目前大部分FPGA都是基於SRAM工藝，而由於掉電後資訊就 會丟失，所以需要外加一片專用配置晶片，在上電時由該晶片將資料載入到FPGA中， 少數採用反熔絲（CPLD）或者Flash工藝，此類不需要外加專用配置晶片。

FPGA是製程工藝上的邏輯實現虛擬化層，允許晶片流片後再決定電路，其可程式設計屬 性使得FPGA相比於其他處理器，在算力、成本、功耗之間取得平衡。採用FPGA可 以避免ASIC或ASSP因工藝進步而增加費用的缺點，同時利於縮短開發週期，減少 沉沒成本巨大而對於新項目開發的影響。FPGA普遍被認為是構建原型和開發設計的 最快推進的路徑之一，具有程式設計、除錯、再程式設計和重複操作等優點，作為定製化ASIC 領域的半定製電路而出現。在採用FPGA進行設計時，裝置製造商可以在開發現場自 由改寫電路結構，而無需向半導體廠商支付包括掩膜在內的開發費用，同時在完成電路結構設計之後也無需執行佈局、佈線等工作，顯著縮短IC開發週期。相比於CPU 處理器FPGA效能更高。對於CPU，其本質是利用大規模儲存器實現在時間維度內 複用處理單元的方法，但該方法會損失處理單元的並行處理能力並帶來效能的損失， 但可通過強大的軟體庫實現任意應用邏輯，因此相比於FPGA，其效能處於弱勢（尤 其是並行處理能力），但通用性較高。FPGA功耗性優於GPU。GPU採用大量的處 理單元來實行並行處理能力，但每個軟體的自由度不如CPU，因此只能實現部分軟 件邏輯（如最早用來3D影象渲染）。同時由於GPU採用大量的處理單元並且大量訪問片外儲存SDRAM，其功耗相對較高。參考BERTEN釋出的《GPU vs FPGA Performance Comparison》，FPGA在單位價格效能峰值劣於GPU，而在單位功耗 效能峰值優於GPU。

（二）FPGA 應用於特種領域的核心基礎：並行性、靈活性、保密性

1.強大的平行計算能力成為FPGA在國防領域的應用基礎。參考Peter Cavill, President, Radstone Eebedded Computing 2005年發表論文《FPGA or DSP for military applications? Both have their place》，在數字訊號處理領域，開發人員需 要考慮包括效能、功耗、成本與上市時間在內的各個因素。FPGA浮點運算能力相對 較弱（相反DSP擁有優秀的浮點單元，可提高精度與動態範圍），因此其運行速度 通常比DSP慢。但由於其允許幾乎無限數量的操作同時發生（強大的並行性，核心 基礎在於理論上其CLB邏輯塊與LUT查詢表結構可以無限複製），因此FPGA在定點 操作和並行性上表現更為優秀，更適合於緊密的定點數學操作，如濾波（訊號處理 解決方案的前端）。例如，FPGA作為與後端DSP聯合使用的前端協處理器十分有用， 高速的濾波與波束形成應用可以在FPGA得到高效執行，因此具有資料採集功能的 FPGA大大簡化了系統架構，如簡化後臺資料速率並降低負載。

2.FPGA靈活性特徵取決於其可編輯基礎，符合軍品小批量多品種特徵（源於相對 ASIC的價格優勢和流片洩密風險）。

（1）其一，FPGA的可編輯性使得其可更為靈 活地應用於諸多軍事場景。在現代化戰爭下，為了保持技術的領先性，往往不能準 確的預測或者決定哪個標準占主導地位。而FPGA可程式設計特徵的優點是靈活性和適應 大多數標準的能力與容量，可以消除由於引入錯誤選擇的技術或者標準致武器裝備 造成損失。

（2）其二，縮短裝備設計與定型時間。FPGA提供的靈活性與適應性直 接關係到武器裝備（尤其是資訊化武器）設計過程的長度。據《FPGA-DISRUPTIVE TECHNOLOGIE FOR MILITARY APPLICATIONS》，ASIC電路通常需要14-24個 月的設計流程，而實現FPGA設計所需的平均時間為6~12個月。

（3）其三，可在不 交換硬體的情況下改變武器資訊系統行為。FPGA可以在不更換硬體的條件下改變 武器裝備資訊系統的輸出邏輯（行為），其結果是具備快速同化新標準的可能性，允 許武裝部隊以最小的延遲完成既定任務或實施創新，具備任何時候更新、本地或者 遠端訪問的能力，通過部分重構提供包括支援、服務和對現場條件的更新操作。

（4）其四，實現硬體共享。通過對一個FPGA進行部分重新配置，可實現多個應用程式， 進而實現硬體共享，其益處在於降低功耗、縮小電路板尺寸、降低外圍裝置進而提 高武器裝備效益比。

總結看，2005年6月在美國國防部電子裝置諮詢小組與國防部承 包商針對FPGA在軍事應用進行討論所形成的報告裡指出，國防承包商表示，FPGA 在軍事數字電子系統領域得到廣泛的應用，功能、可用性和開發/原型優勢，適用性 領域的增長是以犧牲通用處理器和ASIC解決方案為代價的，處理速度、功耗和功能 是FPGA的主要效能選擇指標，而低的NRE成本、可用性和縮短的開發時間是經濟 選擇的驅動因素。

3.FPGA的可編輯特徵使保密性突出，符合軍用產品的高安全性要求。軍事裝置通常 要求更高的安全性，尤其對於資訊化武器。例如，據《FPGA-DISRUPTIVE TECHNOLOGIE FOR MILITARY APPLICATIONS》，軍事通訊裝置中的FPGA在設 備丟失或者被敵軍捕獲時刻自動刪除，這使得相關裝備在敵軍逆向工程（主要目標 是獲得關於被分析系統的內部結構和系統運行模式的資訊）或者通訊連線方面變得 不那麼脆弱。例如， Xilinx的每一個FPGA都有一個獨特ID，也稱為Device DNA，在FPGA晶片生產時「寫 死」在晶片的eFuse寄存器中，具有不可修改屬性。FPGA的DNA一般用於使用者邏輯 加密，在具備高商業價值軟核或者DCP模組中，通常會封裝一層DNA授權功能塊， 該模組的功能為檢測FPGA DNA號，與授權的DNA號進行對比，兩者一致後生成授 權標誌訊號，邏輯可以利用此標誌訊號做到程式碼只有在授權時才能正常工作的情況。 由於每片FPGA的DNA號具有唯一性和不可更改性，將該模組封裝後外部無修改接 口，做到其他客戶即使拿到功能源碼，裡面的核心也不可複製到其他FPGA上運行， 以達到保護知識客戶相關軟核產權的作用。

（三）FPGA 在特種領域應用場景：以數字資訊處理為核心的 C4 ISR

FPGA對數字訊號處理的高速化及可編輯性，是解決C4 ISR系統的安全性、實時性、 精確性的優良方案之一。在以資訊科技為核心的高新技術迅猛發展下，新軍事變革 日益突出，而其實質是資訊化在軍事領域的反映（參考《面向資訊優勢的C4 ISR系統 關鍵技術研究》，王勇，西北工業大學自動化學院，2007年1月），新軍事變革帶來 指揮、控制、通訊、計算機、情報、偵查監視等多功能的軍事指揮自動化系統（C4 ISR） 在未來戰爭地位日益突出。據《預測控制在指揮自動化系統中的應用研究》（範燁 晗，2011年1月，西安電子科技大學），武器系統的通用化、系列化、組合化較為重 要，同時在戰場環境下，各種資訊的收集、傳遞、處理過程需要儘可能減少遲時性。 例如，預測控制作為C4 ISR中指揮自動化系統的重要應用，由於指揮自動化系統複雜 龐大，需要處理的演算法指標很多，相對於傳統的DSP（數字訊號處理器），通過實現 以數字訊號處理器和FPGA為核心的實時訊號處理，可有效的增強系統運行的實時性 和精確性，更加快速的完成大規模數字訊號處理與運算。

1. C4ISR資訊收集端——典型代表為FPGA具備的高效能資料處理及靈活性，使得 其在現代雷達系統得到重要應用。據《面向資訊優勢的C4ISR系統關鍵技術研究》, 從C4ISR系統的發展歷程看，無論是通訊、計算機、情報還是監視與偵查，各環節 的目的都在於收集、處理、傳輸、控制和利用戰場資訊，以獲取資訊優勢。而資訊 優勢的獲取源頭來自強大的資訊收集能力，現代雷達系統（相控陣雷達為代表）為 航空戰場防禦與進攻的核心應用之一。據Intel官網頁面中「適用於軍事應用的FPGA英特爾FPGA」的描述，在當今的現代雷達系統中，有源電 子掃描陣列（AESA）是最受歡迎的體系結構。展望未來，下一代雷達架構，例如具 有地面移動目標指示器（GMTI）的數字相控陣和合成孔徑雷達（SAR）將成為新興 技術。為了實現這一目標，諸如高效能資料處理，超寬頻寬，高動態範圍以及滿足 各種任務要求所需的自適應系統等參數是系統設計人員最常見的挑戰，而FPGA是 解決這些挑戰的理解解決方案。例如，Intel 28nm StratixV FPGA滿足了雷達和先 進感測器技術的獨特設計要求，具有825 Gbps全雙工序列收發器頻寬，出色的訊號 完整性，高度可擴展的嵌入式處理模組以及高達950K邏輯元件（LE）的邏輯密度領 導地位，為軍事雷達和感測器領域提供片上系統（SoC）。

2. C4ISR資訊處理端——典型代表為FPGA在導彈訊號處理（尤其是中制導系統， 精確制導彈藥核心）等方面的應用。參考Xilinx官網Missiles and Munitions產品介紹 頁面，二十多年來，Xilinx通過FPGA的靈活性和繼承能力， 滿足FPGA在導彈和彈藥方面的應用，Xilinx FPGA具備包括高效能、低功耗訊號處 理（滿足大多數包括制導，控制，瞄準和通訊應用的連線性和電源要求）、可程式設計系 統整合（整合更多功能）、可以提高態勢感知能力並改善目標交戰範圍等優勢。此 外，從具體應用看，參考《基於FPGA的影象預處理及DSP-CPCI橋接設計》（石婷， 電子科技大學，2007年），實時紅外影象處理是紅外成像制導的關鍵技術。由於其 影象處理的任務複雜多樣、資料量大、實時性要求高，採用高速硬體進行並行處理 通常為當今紅外成像導引頭中數字影象實時處理的主要技術途徑。基於兵器工業部 第20X所承擔研製的紅外成像制導技術背景下的紅外影象資訊處理機項目，該論文 選用FPGA作為底層演算法處理和介面控制的核心，負責實現紅外成像制導技術的底層 預處理演算法及介面控制，在與DSP的互連下，使得系統兼顧速度和靈活性。並且， FPGA豐富的邏輯資源和大量可用的I/O管腳，可以很方便地實現大規模系統整合， 能最大限度地減少分立元件的使用，降低整體功耗，設計週期和開發成本隨之減少。

3. C4ISR資訊傳輸端——典型代表為FPGA在軍用安全通訊等方面的應用。據Intel 官網頁面中「適用於軍事應用的FPGA-英特爾FPGA」的描述， 當今安全通訊裝置面臨許多設計挑戰，有線產品必須滿足對資料頻寬的苛刻要求， 以實現40 Gbps和100 Gbps吞吐量，同時通常需要提供防篡改平臺，此外無線產品 需要減少尺寸以滿足軍事無線電下一代的移動性，並需要同時支援包括SRW，WNW 和MUOS等多種波形。對於有線安全通訊，需要支援從40G至100G甚至更高的網路 效能，以使得在資訊化戰爭下，以網路為中心確保戰鬥人員能夠實施通訊海陸空多 領域。Intel提供的28納米的Stratix V FPGA（可程式設計晶片系統）支援超過50個標準 協議、提供低功耗、高頻寬的收發器，同時優化了尺寸，重量，功率和成本，確保操 作相容性，同時支援具有現場更新功能的多個平臺和任務。

4. C4ISR資訊控制與利用端——典型代表為FPGA在關鍵高速處理密集型電路中的 優良效能滿足典型的電子戰系統。據Intel官網頁面中「適用於軍事應用的FPGA-英 特爾FPGA」的描述，在電子戰系統中，致勝的關鍵驅動力 是電子對抗措施（ECCM）、隱身技術，緊密相連的智慧感測器網路和智慧制導武器 等。這些系統必須能夠在非常短的時間內快速分析並應對多種威脅，在尋找寬頻噪 聲中的目標特徵時，武器裝備需要執行復雜的處理，例如快速傅立葉變換（FFT）， Cholesky分解和矩陣乘法等，然後傳送多個軟體生成的波形以提供的目標，並需要 有強大的寬頻訊號為戰場提供相關情報。這些不斷變化的戰術響應需要敏捷、高性 能的計算處理。典型的系統設計為使用通道器和逆通道器來處理高頻寬輸入訊號， 由於通道數量靈活，因此係統設計人員可以根據需要分配硬體資源與系統性能。而 FPGA的高速性及可編輯性為需要處理密集型路徑的電子戰系統提供了理想的解決 方案。

二、機遇：原位替代、武器改型、聯合作戰、電磁對抗

（一）原位替代：重視對已批產裝備推行元器件國產化替代的潛在空間 在研新型機載與彈載電子元器件的國產化率仍有提高空間。據《基於自主可控的機 載嵌入式計算機現狀與展望》（林清，樑爭爭，許少尉，航空工業西安航空計算技術 研究所，2018年9月），我國資訊科技處於跨越式發展階段，很多電子資訊系統中的 晶片、作業系統因為效能、製造工藝等因素，國外產品或曾獲得一定的青睞。例如， 在航空領域，機載嵌入式計算機或部分採用國外軟硬體產品，高效能、高可靠處理 器等核心技術存在受制於人的風險。據《元器件原位替代方法探討》（許少尉，李 夏，航空工業西安航空計算技術研究所，2018年9月），為減少武器裝備對及進口電 子元器件的依賴，提升裝備自主保障能力，相關機構明確提出了進口電子元器件選 用控制和國產化要求。再如，據《某型機載計算機的設計和實現》（劉宇，電子科技 大學，陝西寶雞航空儀表，2018年6月）、《基於DSP+FPGA的新型彈載計算機設計與實現》（胡博、李毅等，中國航天科技集團公司第四研究院第四十一研究所， 2017年2月）均曾在選型設計討論階段涉及部分國外的元器件，機載及彈載核心器件 的國產化或仍有較大提升空間。

關注已量產裝備中電子元器件可能存在的原位替代廣闊空間。據《元器件原位替代 方法探討》（許少尉，李夏，航空工業西安航空計算技術研究所，2018年9月），我 國在研及量產裝備上或曾使用的、相當比例的進口元器件產品，面臨元器件製造商 合併重組、產品升級、更新換代、無鉛化等導致產品停產斷檔，更有一些高可靠性、 高密度整合的新型、關鍵元器件被國外禁運。減少對進口元器件的依賴以提升裝備 自主保障能力十分關鍵。元器件的國產化替代主要從功能、效能和工藝特徵3個方面 來考慮，而對於設計而言，若能夠不對電路進行設計修改、不對現有產品PCB狀態 進行變更而滿足以上需求，可大大降低設計、生產和試驗等環節風險，同時經濟性 突出，而可原位替代的國產化器件成為設計師的替代首選。原味替代通常是指將管腳與管腳相容、外型尺寸接近、功能效能參數相同或類似，不用更改原PCB焊接設 計就可實現將原有元器件進行替代。

（二）武器改型：利用 FPGA 橋接功能可縮短裝備迭代的成本與週期

特種計算機正逐步朝多介面、微型化、複雜化、迭代化等方向發展。據《基於FPGA 的匯流排橋接在特種計算機中的應用》（趙鑫，2014年10月），近年來特種計算機的 特點逐漸朝著抗惡劣環境、高效能、高可靠、多介面、微型化等趨勢發展。例如，據 《基於VME匯流排的ARM7主控通訊模組設計》（張新，上海交通大學微電子學院， 2008年5月），航空電子系統的顯控分系統在整個航電系統中處於核心控制地位，主 要職能為對來自各個外系統的資訊資料進行運算處理，反饋運算結果並對外系統進 行控制。顯控系統內部一般按照功能結構進行模組化設計，分為包括主處理模組、 介面模組、通訊模組、資料傳輸模組、影象發生模組、視訊疊加模組等，各個模組通 過匯流排模組進行連線通訊。而隨著航空電子技術的發展，系統對顯控分系統的效能 提出更高要求，如要求整合更多功能、更輕重量、更小體積。但高效能、多功能的需 求與整合化、小型化要求存在一定矛盾，舊有系統結構區域老化陳舊，對現有電子 裝置進行更新迭代、研製更高效能、更強功能的系統的技術革新已勢在必行。

1.基於FPGA橋接功能實現的匯流排橋接在特種計算機的應用，具有整合化、穩定性強 等優勢，並滿足多介面、微型化、高速化的迭代需求，更關鍵在於縮短裝備迭代周 期與開發成本，大大簡化橋接工作。FPGA的靈活架構與可重複程式設計能力使其可更容 易地實現與多種微處理器與微控制器的介面，實現新的要求，或者對現有設計進行 修改可無需更改元器件，只需要對FPGA進行重新程式設計即可。據《基於FPGA的匯流排 橋接在特種計算機中的應用》（趙鑫，2014年10月），在特種計算機設計中因客戶 的特殊應用環境不同（造成同一裝備在不同領域的應用也需要做適應性調整）決定 了特種計算機的多介面特點。在主流應用及一般改型操作中，採用專用晶片來實現 多介面方式需要更高成本、更多的PCB佔用面積。利用FPGA設計匯流排橋接技術 （FPGA+介面晶片）來替代傳統的介面轉接晶片或多擴展卡來完成多介面設計，將 包括外部介面單元、PCIE介面單元、邏輯橋接單元以及計算機電源管理單元整合在 FPGA中，對於擴展設計（更新武器裝備電子系統）則能節省裝置空間佈局，能夠在 保證穩定性基礎上實現計算機的多介面、微型化特點，縮短裝備更迭設計週期與減 少改進成本。

2.利用FPGA的橋接功能、豐富的邏輯資源和大量可用的I/O管腳以實現大規模系統 整合，優化舊系統性能、體積與功耗。據《基於VME匯流排的ARM7主控通訊模組設 計》（張新，上海交通大學微電子學院，2008年5月），以機載顯控分系統為例，新 型顯示控制系統對於舊系統的優化設計包括：將某型模組進行合併且增加新介面、 更新各個模組、採用效能更優的處理器架構、大幅提高整合度、採用速度及功能更 優的內匯流排進行互連。例如，由於系統升級，舊有系統來自雷達導航的ARINC429通 信通道只有幾路，新的系統則擴充到了幾十路，對主控通訊模組的處理能力要求大 大增加。在該課題中，通過更換舊系統的HS3282專用通訊晶片，採用FPGA技術設 計專用通訊晶片處理ARINC429通道，具有以下幾個優勢：

（1）提高機載顯示控制 系統各類控制、處理與介面模組的效能；

（2）利於實現新系統設計的整合化、小型 化、通用化技術，降低設計成本，簡化橋接工作；

（3）針對原有型號的升級，新型 技術的採用能夠解決原有系統模組的元器件功能少、效能低、成本過高、供貨困難、 對進口依賴大的缺陷。

（三）聯合作戰：並行處理和現場可程式設計特性契合 SDR-SCA 規範需要

多兵種聯合作戰將成為21世紀的主要對抗方式，以提高對各作戰部隊接受統一指揮、 完善縱深溝通、強化橫向配合的要求。頂層政策及發聲持續強調聯合作戰體系的打 造與訓練。據新華社11月13日訊，中央軍委日前印發《中國人民解放軍聯合作戰綱 要（試行）》（下文簡稱《綱要》），於2020年11月7日起實施。《綱要》著眼構建 聯合作戰法規體系，立起基本概念，確立基本制度，明確基本職責，從制度層面解答 未來「打什麼仗、怎麼打仗」的重大問題，強化備戰打仗的鮮明導向，對鞏固深化領 導指揮體制、規模結構和力量程式設計改革成果，對推進我軍聯合作戰能力解放和發展 具有重要意義。

多兵種聯合作戰對通訊提出更高要求，打造橫縱互聯資訊網是軍用通訊目標之一。然而在管理實踐中，組織的規模越大、層次越多，指揮的難度就越大，對溝通效率的 要求就越高。在這種情況下，軍用通訊的實時性、準確性和安全性就成為衡量聯合 作戰戰鬥力的關鍵性（決定性）指標。傳統軍事理論對各軍兵種的協同性要求不高， 加之降低成本的考量，世界主要軍事力量各軍種的通訊標準和基礎設施往往獨立發 展（煙囪式發展），這就造成「海陸空天電，雞同鴨講」溝通錯位的現狀。為了扭轉 這種不利局面，提高軍兵種之間的溝通效率以最大程度發揮聯合作戰的作用，一些 軍事力量基於軟體無線電（SDR）技術提出在現有軍用無線電框架基礎上整合出新 的系統，如美軍戰略級「最低限度應急通訊網（MEECN）」、戰術級「聯合作戰戰 術無線電系統（JTRS）」，我們以JTRS為例介紹聯合作戰通訊的目標和需求：JTRS 是美軍公開的唯一一種意在相容所有軍兵種通訊標準和基礎設施的通用戰術電臺， 要求實現跨頻段跨時空跨戰區的橫向（同級、不同軍兵種的協調）和縱向（同軍兵 種上下級的指揮）通訊。為了實現這一目標，JTRS需要具備在不同標準的無線電波 之間快速切換的能力，為了明確並細化這一要求，美軍特意制定JTRS規範框架—— 軟體資訊架構（SCA），對硬體、軟體、介面的法則、方法及使用標準進行了規定， SCA目前已超越軍用領域、成為軟體無線電SDR技術界普遍接受的一種標準化規範。 （SCA規範要求之一是「現場可通過軟體安裝重構其工作方式及效能，以實現不同 波形元件的移植」。）SCA架構以往通常通過「通用目的處理器（GPP，如CPU、 GPU、MCU等）」實現，但隨著無線電頻寬和速率的提高，GPP越來越不能在短時 間內完成規模如此龐大的計算；同時隨著未來越來越多的無線電波形的出現，過時 的硬體架構也會阻礙通訊效率。因此，SCA架構下的SDR亟需一種「價格相對低廉、 提供並行高速運算」或者「能夠實現硬體可程式設計」的新器件。

FPGA具有的強大並行處理和現場可程式設計的特點能夠同時滿足SDR-SCA的上述兩 點需求。首先，FPGA並行併發的處理模式能以相對低價的協處理器形式實現高速運 算。在基帶處理流程中，隨著處理技術的發展，頻寬規模越來越大，資料交換速率越 來越高。如上文提到的JTRS共支援43種軍事無線電波形，其中某些新型波形演算法更 加複雜、頻寬需求更高，有的波形甚至要求每秒數百萬條指令（MIPS）。在這種情 況下，FPGA可以與通用目的處理器（GPP）串聯起來，成為專職負責資料並行處理 的協處理器，而將GPP的資源節省下來用於控制、協調等其他用途，提高SDR系統 的整體工作效率。其次，FPGA現場可程式設計的特點能夠降低無線電系統的運維成本。 一方面，在數字中頻（IF）處理流程中，完整的IF功能需要數字上變頻器（DUC）、 數字下變頻器（DDC）、數字預畸變（DPD）和波峰係數削減（CFR）四種子功能， 使用FPGA可以通過重程式設計特性實現一塊器件四塊功能，並且四個功能實時切換，達 到「一塊器件的成本，四塊器件的功能」的目的；或當頻寬規模巨大，逼近GPP運 行極限時，令作為協處理器的FPGA重新配置，跳過軟體層面的標準轉換而成為硬體 層面標準A和標準B的直接轉換器，分擔算力（之前是標準A-標準B-…-標準N的網狀 軟體轉換器）；另一方面，若隨著協議標準迭代，舊的硬體結構已經不適應新協議的 效能要求，技術部門可以在原有的FPGA基礎上重新設計燒錄，而無需購買新的器件。 綜上所述，FPGA是實現SDR目標的優良解決方案。

FPGA在美軍聯合作戰通訊中的應用會進一步鋪開，並具備拓展到民用領域的潛力 及可能性。據《面向SCA的DPR軟體架構設計與排程技術》（郭彪、唐麟等，2021 年3月），美軍主導制定了聯合戰術通訊系統和聯合戰術網路中心計劃，在2012年全 面實現軟體無線電電臺裝備體制，截至到2017年底裝備約50臺各型軟體無線電電臺。 聯合通訊在海事通訊、衛星通訊、民航通訊的聯合並軌方面有指導意義，隨著SCA 標準向商用領域和民用領域的不斷擴散，預計FPGA在聯合通訊場景的市場需求會被 進一步拓寬。

（四）電磁對抗：FPGA 為產生戰場複雜電磁訊號提供重要的技術支撐

電子對抗為現代資訊化戰爭的先導。電子戰(electronic warfare, EW) 也稱為電子對 抗(electronic countermeasures, ECM), 定義為使用電磁能、定向能、聲能等技術手 段控制電磁頻譜, 實施電子戰的主要目的是為了阻止敵方對電磁頻譜的使用，確保 己方的電磁頻譜使用權、獲得在電磁頻譜中的優勢和在電磁頻譜空間中的行動自由。 現代戰爭中作戰雙方的對抗已不再是單一裝備間的對抗，而是裝備體系間的對抗、 各種作戰力量組成的系統整體對抗。國防科大陳浩等在2017年論文《電子對抗中武 器裝備體系作戰能力評估研究》指出，技術的發展使得未來資訊化戰爭趨向於打破 軍兵種界限的一體化聯合作戰，電子對抗作為現代資訊化戰爭的先導並貫穿戰爭始 終。《電子對抗在現代戰爭中的應用》指出，誰掌握了電子對抗的優勢，就掌握了整 個戰爭的形勢。國內外近年正逐步加強對於電子戰的重視。據天銀機電2018年年報， 2018年美國陸軍通過釋出新的電子戰作戰概念、實施電子戰部隊改革，著力推動「多 域戰」一體化作戰能力；美國海軍釋出第2400.3號指令《電磁作戰空間》，正式將電 磁頻譜作為繼海、陸、空、天后的新的作戰領域；據航天發展2015年5月28日公告， 2012年底總裝備部下達複雜電磁環境下戰技指標考核要求。解放軍報也於2019年在 《制電磁權，未來戰爭入場券？》一文指出，21 世紀仍是頻譜戰的時代，正在發展 的無人化、智慧化戰爭也是以電磁頻譜的自由利用為前提，電磁鬥爭將是未來軍事 競爭戰略制高點。

現代模擬系統的建立與完善已成為電子戰等資訊系統從研製到裝備不可或缺的重要 組成部分。據《模擬技術在雷達電子戰系統中的應用研究》，「由於現代戰場電磁環 境的複雜性和電子資訊武器裝備對電磁頻譜空間的依賴性，依靠有限的實戰演習難 以完成對電子資訊裝備及其裝備體系在作戰中的實際效能和各種電子資訊裝備平臺 間協同作戰能力的綜合評判」，而且實戰演習具有耗時長、費用高、易受環境制約、 試驗結果不可重複等明顯缺陷。因此，近年隨著計算機、網路、模擬等技術發展，虛 擬戰場的概念應運而生，利用模擬技術建立逼真的虛擬戰場環境，是評估裝備作戰 效能、提升部隊作戰訓練效果的重要手段。以美軍為代表，模擬技術的運用已成為 提高美軍部隊作戰效能的有效手段。據《美軍作戰模擬系統綜述》，美軍根據模擬的 應用需求建立了數以千計的模擬系統：美軍已於20世紀80年代初開始引入一體化、 分散式模擬技術以協調完成複雜的模擬試驗任務，至90年代中期美國在分佈互動式 模擬體系下完成的模擬實體數最高可達50000個。

在複雜電磁環境背景下訓練有益於有效提高部隊在資訊化戰爭中的作戰力。據《基 於FPGA的多模式訊號源的研究與發現》（汪東雷，國防科學技術大學，2010年11 月），由於軍事領域電磁應用的日趨廣泛，使得戰爭環境發生重大改變，出現了與傳 統戰場並重的新要素——電磁環境。目前電磁環境日趨複雜化，正在加速向多維空 間和更深層次滲透發展，體現在空域、時域、頻域、能量上分佈數量繁多、樣式復 雜、密集重疊、動態交迭的電磁訊號構成的電磁環境。基於此，構建複雜電磁環境， 力求構建接近實戰的戰場電磁環境，有利於提高部隊在現實資訊化戰場的作戰能力。 該文提出，在訓練中構建複雜電磁環境，除了利用真實的武器裝備外，還要大量依 靠訊號模擬器、計算機模擬技術、分佈互動模擬技術、以及能夠模擬假想敵的部隊 （藍軍）等。而利用模擬器產生針對性的電磁環境，具有費用低、效果好、使用簡 單等特點，是世界發達國家軍隊普遍採用的方法。北約靶場裝備了大量的模擬器， 如安裝在敞篷車上的戰術雷達威脅模擬器可以模擬蘇制地空導彈系統和四聯火炮的 「炮盤」雷達，能夠為參訓飛機提供充滿機動威脅和具有規避機動能力威脅的環境； 再如，美國中國大西洋電子戰靶場配備的威脅訊號模擬器可模擬地空導彈系統、通 信干擾機等訊號等。

我軍訓練基地和模擬藍軍建設初顯成效，實戰化對抗演練向空、網、電等多兵種聯 合作戰協同發展。12月11日至12日，全軍軍事訓練領域的相關領導，訓練基地、模擬藍軍部隊主官及 有關專家集聚陸軍某聯合訓練基地….重點探討實戰練兵環境構設問題，對接協調新 年度大項演訓安排，統籌佈局軍事訓練重點任務。軍委管理部領導介紹，打通戰鬥 力生成鏈路，強化聯合訓練引領，突出重點物件領域，發展推進科技練兵，創新體系 練兵模式推進轉型，優化訓練保障佈局，創設逼真練兵環境，發展先進訓練手段， 建設用好專業藍軍，加強訓練條件建設推進轉型。

FPGA是滿足模擬電磁環境所需的模擬器效能要求優良解決方案。隨著資訊科技的 不斷髮展，對於真實戰場通訊環境中的高頻段、多樣式、高密度的電磁訊號環境的 模擬研究不斷加強，繼而要求模擬器需要可生成不同戰術背景和試驗條件下所需要 求的瞬時、寬頻段、多訊號樣式、大訊號密度、多方位、動態可控的複雜電磁環境模 擬訊號，並且需要保證訊號產生的標準性、穩定性和達到高水平的場景模擬真實性。 幾乎所有電 子戰系統應用程式的設計人員都使用CPU和FPGA，具有各自處理各種任務的獨特 優勢。例如，FPGA通常具有DSP模組，在解決計算密集型訊號處理、資料處理、矩 陣處理、數字濾波等方面具有一定優勢。在電子戰和雷達應用的DSP系統中，FPGA晶片的主 要目的是執行前端感測器處理，因為其需要高水平的並行處理以及足夠靈活、豐富 的I/O介面。因此，在尋找適用於電子戰和雷達應用的最佳FPGA硬體時，重要的是 要考慮電路板和系統架構、I/O頻寬、感測器介面選項、儲存器頻寬、FPGA處理能 力和加固能力。

三、覆盤：整合平臺促器件綜合、擴張邊界破產品侷限

（一）覆盤海外特種整合電流市場：重視國家大規模投入技術外溢效應

國防高技術是以軍事需要為牽引而發展的當代尖端技術，許多高科技多首先在國防 領域應用。據《國防高技術產業R&D溢位效應》（胡茂盛，2011年3月，南京航空航 天大學），許多高科技往往首先在國防領域應用，由此產生了國防高技術群，如國防 微電子、國防光電技術、國防計算機技術、國防精確制導技術、國防新材料技術、國 防航天技術等，並通過國防高技術轉換為民用，形成新的產業群，並在此基礎上帶 動各行各業技術水平的提高，從而提高整個國民經濟效益。據測算，國防高技術轉 民用後，經營得好的企業，其高技術產品獲得的利潤，可以達到總銷售額的30%以 上（即國防轉民用後經營好的企業淨利潤率可在30%以上）。

國防高技術產業具有豐富的科技資源、人力資源、產業資源，國防高科技產業的R&D 投入對相關產業以及區域經濟發展具有很強的溢位效應。據《國防高技術產業R&D 溢位效應》（胡茂盛，2011年3月，南京航空航天大學），該文以1995-2008年間國 防高技術產業各部門的R&D投入以及民用相關部門的工業增加值等資料為樣本，探 尋國防R&D投入對產業影響幾何、國防高技術產業的R&D溢位能在多大程度上促進 相關產業的發展、相關產業能否真正從中受益？該文采用灰色關聯度的方法分析了 國防高技術產業與相關部門之間的關聯度，並用迴歸分析方法，對國防高技術產業 的R&D溢位效應進行了衡量，得出結論認為軍工電子對電子通訊裝置製造業存在較 大的溢位效應。

覆盤海外，美國政府對國家安全應用的微電子技術需求與強大的資金支援，與其半 導體工業緊密相關。據《Trusted Microelectronics: A Critical Defense Need Dave Chesebrough》（李應選譯，中國航天電子技術研究院科技委），從雷達和資料處 理開始，微電子技術支撐了戰略司令部到現場通訊、運輸、武器系統和平臺的所有 軍事和國家安全系統。實際上，美國半導體工業的發展在一定程度上源於美國政府 對研發的資助，然而近些年商業應用的大規模拓展和大批量生產使得政府對微電子 器件的需求被邊緣化。例如，據《半導體產業優勢國家和地區資金支援的經驗與啟 示》（張曉蘭，黃偉熔，國家資訊中心經濟預測部，2020年第8期），美國採用國 防採購資金支援產業發展，而積體電路產品與軍事領域關係密切，依託軍備採購的大量需求美國半導體產品軍用市場空間巨大，而在半導體產業發展初期，美國廠商 與軍隊合作研發，產品主要以軍用領域為主。如1959年美國導彈發射系統首次應 用積體電路、1961年Ti公司與美國空軍共同研製出首臺積體電路組裝計算機，軍隊 注入大量資金為美國半導體產業發展提供了強大支援，直接推動產業擴張和技術進 步，為美國積體電路產業優勢的形成奠定了堅實基礎。據該文，20世紀60年代， 美國80%~90%的積體電路產品由國防部購買，直至90年代末美國半導體市場才逐 漸轉向為民用領域。

（二）Xilinx 介紹：全球 FPGA 行業破局者、領先者、增長型 IC 企業

產品標準化創新的先驅者，公司發展的重點產品和軟體推出引領行業發展方向。Xilinx（賽靈思，XLNX）成立於1984年，是一家提供半定製可程式設計邏輯器件解決方 案的平臺。Xilinx主要經營FPGA、SoC、ACAP等器件以及配套的開發工具、IP核、 設計服務和培訓服務，市佔率超過50%，目前處於全球相關行業的龍頭位置。Xilinx 的產品主要應用於國防工業、5G、汽車電子、資料中心等領域。Xilinx屬於Fabless 經營模式，本身只負責器件的設計、開發和銷售，而將器件的生產外包給專業的半 導體制造公司如UMC、IBM和Seiko Epson。從產品屬性看，FPGA半定製化的可編 輯性和靈活性成為其繫結高階通訊客戶的先天優勢，但定製化的價格和成本高敏感 性反過來成為FPGA應用領域下沉的關鍵阻礙。Xilinx從1985年開始在產品標準化領 域持續發力，通過提供泛用性的程式設計解決方案向下遊其他市場突圍。1985年，Xilinx 推出世界首款商業化FPGA晶片「XC2000」，通過自創門陣列通用結構推動產品標準 化開端，隨後公司推出Virtex晶片和配套Easypath程式設計邏輯解決方案進一步降低使用者 學習成本，提升產品泛用性。2018年，公司推出具有功能突破性的ACAP平臺實現對 AI和機器學習領域的市場滲透。

FPGA市場絕對龍頭，主業聚焦增長穩健。放眼長期視角，Xilinx營業收入規模在上 世紀末保持強勁增長勢頭，進入21世紀後增速放緩但仍保持穩健增速，且在FPGA產 品領域市場份額穩定保持50%水平且震盪上升。Xilinx2020財年營收31.63億美元， 同比增長3.39%；2019財年營收32.59億美元，同比增長24%，該財年營收增速較大 或與新產品ACAP的推出和軟體平臺Vitis的開源免費帶來的客戶引流有關。從營收構 成來看，國防工業和5G領域業務是主要組成部分，營收佔比之和超過80%，主營業 務集中度高。國防、工業、TME（測試、測量&模擬）業務為公司長期以來的絕對主營業務，營收佔比接近50%且增速始終保持穩定，5G領域業務在亞太地區特別是在 中國迅速擴張，2019財年和2020財年的營收增速分別是44.66%和32.93%。

外部併購與內部研發雙核驅動，技術實力鑄就高技術壁壘。近年來Xilinx持續整合產 業鏈相關公司，致力於增強技術優勢，泛化拓展產品邊界，如收購Solarflare為公司 提供SmartNIC技術以降低網路連線低延遲，收購DeePhi以優化軟體，提升FPGA在 視訊和影象深度學習方面的優勢。Xilinx對這些公司的收購重組實現了產品細節的優 勢互補，致力於為客戶提供更專業豐富服務、打造可程式設計邏輯生態平臺提供捷徑。 研發費用持續保持正增長態勢。Xilinx近四年研發投入以12.4%年複合的增長率持續 上漲，到2020年已實現每年超過8億美元的鉅額投入，超過行業第二Altera（現為Intel 子公司）的每年4.18億美元和行業第三Lattice的6.12億美元。2018年，公司研發歷 時4年，斥資超過10億美元的自適應計算加速平臺ACAP問世。ACAP將軟可編輯模 塊和硬不可編輯模組相結合，賦予使用者動態調整硬體的能力，該項產品的應用領域 目前還較為狹窄，但考慮其未來在AI、機器學習等領域的廣闊應用前景，或為公司帶 來可觀營收。

（三）FPGA 廠商核心壁壘：軟體工具、轉換成本、IP 資源、產品定位

1.FPGA的設計流程是一系列EDA設計工具鏈的綜合，程式語言的專用性及流程的 複雜化等加大第三方企業滲透的難度。使用者在FPGA設計流程中，需要使用到HDL語 言、邏輯綜合工具、門級網表工具、工藝對映工具、邏輯打包工具、佈局工具及佈線 工具等一系列EDA設計工具。從工作內容看，一般FPGA的EDA軟體處理包括以下步 驟，電路設計、邏輯綜合、工藝對映、佈局佈線、模擬和編碼下載等。具體看，據西安電子科技大學2010年碩士論文《基於LUT的FPGA工藝對映優化》，FPGA支援軟 件的設計流程，是從使用者的設計輸入開始，首先進行邏輯綜合，將設計輸入轉化為 網表文件並優化，而後採用約束庫進行技術對映，再進行佈局佈線、時序分析、功耗 分析、模擬煙增，最後彙編產生二進位制的位元流檔案下載到晶片，繼而完成FPGA的 開發。

在佈局佈線中，因支援FPGA開發的EDA軟體需要將電路描述為FPGA晶片的配置 資訊，因此EDA設計軟體必須利用FPGA晶片的內部結構資訊，而為了該資訊不被 洩密而增加晶片設計被破解的可能，因此除了前端的（如行為綜合、邏輯綜合、前 模擬）可使用第三方工具外，FPGA晶片供應商一般都提供自己設計的EDA後端工 具（如工藝對映工具、佈局佈線工具等），如在21世紀初期Altera、Xilinx分別有自 己的開發工具Quartus II、ISE工具。專用工具的複雜化與FPGA技術升級相互驅動， 結構越複雜、密度越高、效能越強的FPGA往往會帶動相關軟體的複雜化、升級化， 因此軟體的供應能力與專用性形成FPGA企業的壁壘之一。製程的先進性除與公司 自身的研發水平相關外，也與下游代工廠相關，同時主要廠商Xilinx與Intel在先進位制 程的推出時間上相差不大，因此軟體帶來的競爭優勢相對而言會更為持久。

2.軟體複雜化及專用化帶來使用者更高的轉換成本。對於晶片設計商而言，產品相 對更趨於標準化。而對於下游客戶而言切換使用平臺的難度更多取決於其本身的產 品粘性及陡峭的軟體學習曲線，即使是開發新設計，對於客戶而言轉換FPGA供應商 的成本也更高。FPGA需要獨特的硬體語言程式設計，當製程工藝越先進，使用複雜特定 開發軟體即意味著需要更多的精力。例如，隨著FPGA廠商逐步提高產品整合化，在 晶片中涉及大量的LUT結構、高效能運算單元、應用處理器、記憶體層次資源等。雖然 體系結構的複雜化增強了產品並行處理效能的優勢，但也增加了客戶程式設計的複雜性。 因此，一旦客戶設計團隊熟悉供應商特定的開發軟體，再切換到其他供應商的學習 曲線變十分陡峭。從某種程度上說，對於Altera和Xilinx而言二者在起步階段並無重 大的、領先的器件優勢，而各自軟體優勢（包括運營）反而會使得二者的市場份額保 持相對穩定。

3.先發優勢下，IP核資源的積累逐步鞏固護城河，並可創造邊際成本接近為0的類 AMD模式。IP核也稱為智慧財產權核或智慧財產權模組，是積體電路中可重用設計方法 學中針對晶片設計的可重用模組。對於FPGA，通過將更多的系統級設計工具和IP內 核與其結合使用，可以增強FPGA與其他方案相比的競爭優勢。對於FPGA廠商而言， 更多使用的硬IP核心（用來提供設計最終階段產品，嵌入在PLD電路中），與軟IP核 （使用Verilog、VHDL等硬體描述語言的功能塊）相比可實現更低成本、更高效能與 更低功耗。例如，對於Xilinx，2014年其支援類產品（軟體、配置方案、IP核以及設 計裝置）實現收入0.83億美元，佔總銷售收入的3.5%。相比於硬體銷售，IP核等作 為研發費用已前置的產品，對於Xilinx而言銷售給客戶的邊際成本接近為零，具備高 利潤率、易複製等特徵。

4.高中低端互補、差異化與整合化共存的產品佈局戰略。具有從45nm到7nm的全製程覆蓋，利於Xilinx拓寬其產品應用範圍及目標客戶，進一步增強客戶粘性，並在一 定基礎上通過多群體開發降低FPGA在設計與開發環節的演算法、語言的難度與豐富IP 核資源庫，本質上將推動FPGA向大眾化開發方向發展。此外，Xilinx在基站、航空 航天、資料儲存、汽車等多應用場景的拓展，利於降低單一市場波動對企業經營的 影響，提高抗宏觀及中觀風險能力。

（四）整合平臺，實現多器件綜合，突破現有市場限制並增加客戶粘性

相比於AISC在量產期的低成本，FPGA在發展初期往往更多用於量產規模小的原型 製造、產品初期驗證或者與其他晶片共同出售，限制FPGA的規模應用與市場開拓。因無需高額流片即可驗證晶片產品，在量產初期或者開展研發類項目，FPGA的價效比優勢最為明顯，可實現對ASIC的部分替代。但當量產規模提升後，FPGA的效能 優勢以及成本優勢反而下降，且該時期內FPGA的傳統優勢——可編輯性帶來的靈活 性——反而對產品及市場推廣意義較低，因此該時期OEM廠商通常會使用ASIC。

量產後期帶來的成本劣勢等易限制FPGA的應用。簡單來說，FPGA在市場上的強大 賣點是產品的快速發展和不斷變化的標準。自1985年Xilinx推出全球第一款商用 FPGA以來，在90年代末期公司業績（以及全球FPGA市場）主要由通訊產品推動。 在通訊等領域，FPGA有著廣泛的應用，因其需要高速的通訊協議處理方式（契合 FPGA的優良並行處理能力），另一方面通訊協議隨時都在修改（契合FPGA的可編 輯性），不適合做成專門的晶片，所以具備可編輯性的FPGA就成為相關通訊廠商權 衡成本與效能後的首選。總結看，數量需求、價格以及成本敏感性成為PLD廠商盈 利能力與收入提升與增長的最大障礙之一。同時，除通訊領域以及規模化應用前的 ASIC驗證外，高速數字訊號處理領域也是FPGA的傳統優勢領域，如軍工、航空航 天等領域。但該領域的潛在增長與規模相比於消費端仍有一定差距。基於此，Xilinx 在1998-2001時期通訊類產品收入佔公司總收入接近75%（月度）。

晶片製造技術的進步使得Xilinx可以在原有產品上整合更多功能，繼而打破現有應 用市場的限制。相比於此前的單純可程式設計門陣列架構，得益於晶片製造技術的進步 （摩爾定律推動下，積體電路電晶體數量在單位晶圓面積下擴增，同時成本也更低）， Xilinx通過推出高階產品整合更多功能，提供更低價格的整合解決方案。例如，2001 年後期Xilinx在其高階Virtex產品和Spartan產品線中實施該戰略，藉此切入潛在市場 規模更大的DSP或者MCU等市場。

高階產品實現整合化與低成本化，增強產品競爭力與客戶粘性，並進一步向對價格 敏感程度高的消費級市場拓展。2002年，Xilinx釋出Virtex-II Pro FPGA系列產品，並 在2003年釋出新價格點，總體價格水平比2002年降低多達50%，Xilinx主要將這一業 界領先的新價格水平歸功於採用300毫米晶圓製造工藝以及同類產品中最小的晶片 尺寸。在當時，該產品可提供同類產品中功能最強大、成本最低的解決方案——以 不到30美元的價格提供整合有超過6700邏輯單元和500K位嵌入式塊儲存器，以及一 個嵌入式PowerPC處理器和四個RocketIO序列收發器的FPGA器件；以不到100美 元的價格提供整合有2萬個邏輯單元和1.5M位嵌入式RAM，以及兩個PowerPC處理 器和八個RocketIO收發器的FPGA器件，具備業內領先的產品競爭力。除價格降低 外，得益於同步開發的Virtex-II Pro EasyPath解決方案，客戶使用門檻逐步降低。 Virtex-II Pro EasyPath解決方案是彼時業界速度最快且風險較低的可程式設計邏輯解決 方案成本降低途徑，可進一步提供高達80%的成本節約。利用該系列產品解決方案， 客戶進行復雜系統設計不僅可繼續利用Virtex-II Pro FPGA作為系統的關鍵單元，同 時還擁有通過Virtex-II Pro EasyPath解決方案投入生產的靈活性，實現對客戶的進 一步繫結。開發較低器件密度產品，為客戶提供可大批量應用的低成本解決方案， 實現向規模性較為突出、對價格敏感的消費級市場拓展。對於需要較低器件密度的 大批量應用，Xilinx公司提供世界上成本最低的FPGA產品線——Spartan-IIE系列產 品為新應用提供了高達60萬系統門的邏輯密度和高達514個I/O引腳，並實現低成本 化，並隨該系列產品的擴充，Xilinx進一步鞏固了自己在為FPGA和ASIC客戶提供針 對低成本應用（如機頂盒、等離子顯示屏和廣播視訊裝置）的大I/O數器件方面的領 導地位。

（五）擴張邊界，從客戶需求出發，降低軟體程式設計壁壘與產品應用侷限

從客戶需求出發，協助客戶從FPGA向ASIC實現轉變，為客戶提供可行的晶片研發 低成本路徑。如上文所述，如果客戶若希望實現規模化量產與應用，從成本與效能 角度考慮一般會從PLD過渡到自行設計的ASIC。為減少此類客戶的流失及增強粘性， Xilinx及其競爭對手Altera（目前已被Intel收購）提供了過渡路徑。對於Xilinx，根據 客戶所要求的用途定製測試裝置而後將其出售。Altera提供了一項稱為「Hardcopy」 的政策，具體方案為，根據客戶的PLD設計，Altera將為他們創建結構化的ASIC或半 定製晶片。然後，Altera將節省的成本（可以在90％的範圍內）轉嫁給客戶，並可實 現對客戶的挽留，這種半定製設計方法可以為客戶提供技術優勢和卓越的效能。

FPGA規模普及難點之一為較高難度的程式設計設計（客戶角度），因此Xilinx一直致力 於增加軟體的通用性以進一步降低客戶的使用壁壘。對於更新週期極快的IC行業， 客戶需要便捷方便的設計環境，以提升生產力、縮短上市時間、儘可能實現整合化 需求。2012年，Xilinx推出從2008年開始編譯的整合設計環境——Vivado設計套件， 該套件包括高度整合的設計環境和新一代從系統到IC級的工具，是一種以IP和系統 為中心的、領先一代的全新SoC增強型綜合開發環境，可解決使用者在系統級整合和 實現過程中常見的生產力瓶頸，並在後續逐步升級。

一方面，該套件可為客戶解決 整合化、元件化的設計瓶頸。例如，Vivado設計套件採用了用於快速綜合和驗證C語 言演算法IP 的ESL設計，實現重用的標準演算法和RTL IP封裝技術，標準IP封裝和各類 系統構建模組的系統整合，模組和系統驗證的模擬速度提高了3倍，與此同時，硬體 協模擬效能提升了100倍，相對於同類競爭工具，Vivado設計套件從總體上把整合度 和實現速度提高至原來的4倍。

另一方面，降低客戶設計門檻、增加IC設計的便捷性。Vivado開發套件支援C語言到RTL的對映，以及支援億門級電路設計。簡單來說，一 般業績演算法開發常採用C、C++和SystemC高階程式語言。在過往FPGA設計流程中， 需要經過緩慢且容易出錯的步驟來將採用上述語言編寫的演算法轉換為適合於綜合的 Verilog或VHDL硬體描述，而Vivado開發套件系統版本中提供的Vivado高層次綜合 功能可輕鬆自動地完成之一步驟。此外，更為關鍵的是，該功能的實現，保證了IP核的豐富程度，讓系統和設計架構人員可將生產的IP硬核輕鬆嵌入基於RTL的設計流 程中，使得硬體設計人員將更多時間投入設計領域、找出理想的設計解決方案，打 破傳統的RTL設計生產力的侷限性。該版本在後續得到逐步更新，如在最新的Vivado HLx Editions中，因採用了基於C/C++的設計和加速複用、特定領域專用庫、IP子系 統、整合自動化、加速設計收斂等，相比採用傳統方法而言，可將使用者的生產力提高 10-15倍。例如，對於視訊運動估算演算法，C輸入到Vivado HLS這種方式能夠在10秒 內執行10幀視訊資料，而對應的RTL模型處理同樣的10幀視訊則需要大概兩天時間 才能完成。

為適應人工智慧與機器學習需求推出軟體設計平臺，免費開放加強生產系統建設， 主動切入英偉達目前主導的廣闊機器學習市場，並在Vivado的基礎上實現覆蓋硬體、 軟體、AI與資料科學家的開發生態系統。Xilinx歷經五年、投入1000個工人年，於2019 年推出Vitis統一軟體平臺，並宣佈其重要元件Vitis AI開放下載。ViTIs統一軟體平臺 無需使用者深入掌握硬體專業知識，即可根據軟體或演算法程式碼自動適配和使用賽靈思 硬體架構，並且不限制使用專有開發環境，利用豐富的、優化過的開源庫，使得客 戶可專注於演算法的開發。Vitis平臺構建在基於堆棧的架構之上，該架構可以無縫插 入到開源的標準開發系統與構建環境。該平臺有四個層級構成，基礎層為由電路板 和預程式設計I/O構成的目標平臺；第二層為Vitis核心開發套件，並提供包括編譯器、分 析器和偵錯程式等核心開發工具，這些工具設計的目的是希望將可編輯器件的開發能 與業界標準的構建系統與開發環境無縫整合；第三層為由8個Vitis庫提供的400餘種 優化的開源應用，藉助此類庫軟體開發者可以使用標準的應用程式設計介面來實現硬體 加速；第四層為具有變革意義的Vitis AI，整合的特定領域架構為客戶提供了針對AI 模型的硬體實現。從最開始的硬體開發平臺Vivado，到後面的OS和固件SDK，包括 一些嵌入式的軟體開發環境，到不同的雲端計算的開發，Vitis實現將各類環境、語言、 庫不同，針對包括雲和邊緣統一到平臺，以適應當下AI、機器學習等對計算能力與 開發能力的需求。

實現從傳統硬體公司轉型為軟體平臺公司。作為公司戰略之一，Xilinx致力於「開源」， 從2007年開始，成立多個開源庫，如GCC、LLYM、U-Boot等。此外，Xilinx還推出 了Developer.xilinx.com網站，主要將Vitis專家和相關的開發人員建立起聯絡，實現 資源整合與開放生態系統。硬體+軟體的平臺生態是器件生產商成就卓越的必經之路， 開發人員的多寡與合作伙伴生態系統的豐富程度為器件生產商平臺生態豐富度的重 要指標，尤其對於FPGA廠商而言（程式設計難度及生態系統的薄弱是FPGA拓展市場及 客戶的重要障礙，如FFCM對於FPGA十大預測從1996年的「We will hate the tools」 到2016年時仍稱「FPGA design tools will still need improvements」）。參考英 偉達，GPU之所以成為目前AI與機器學習的基石，不僅僅是因為GPU強大的大規模 平行計算能力，更因為其豐富的生態系統。2006年英偉基於GPU推出基於GPU做通 用計算的CUDA平臺，長期經營及豐富資源逐步成為相關開發者首選。對於CUDA， 除易於程式設計與效能提升外（採用通用平行計算架構，該架構使GPU能夠解決複雜的 計算問題，開發人員可以使用C語言為該架構編寫程式，編寫出的程度可以在支援 CUDA的處理器上高效能運行，並在2010年推出的CUDA 3.0支援C++與FORTRAN，目前已支援包括Python在內的多種高階程式語言），與任何新平臺一樣，CUDA的 成功依賴於CUDA生態系統可用的工具、庫、應用程式和合作夥伴。也正如黃仁勳在 GTC 2019 技術大 會 上所說 「 生 態 系 統 是 使 GPU 計 算 成 功 的 關 鍵 」 ，並在該大會上釋出統一化的生態系統——全新的 AI 加速計算庫CUDA X AI庫。通過一致的環境，讓NVIDIA的所有產品都能夠實現最大限 度的軟體加速。計算效能介面的最簡化，將極大地加速整個軟體和應用的開發工作， 顯著地簡化開發流程。

大膽創新改革傳統FPGA架構，推出自適應計算加速平臺ACAP，契合機器學習演算法 等對計算資源等需求。2018年3月，Xilinx宣佈推出一款超越FPGA功能的突破性產 品——ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform，自適應計算加速平臺）。 ACAP為高度整合的多核異構計算平臺，採用臺積電7納米工藝技術開發，可根據各 種應用的需求從硬體層對其進行靈活修改，具備在工作過程中進行動態調節的自適 應能力，實現了超越CPU和GPU的效能與效能功耗比。ACAP產品的推出積極契合 大資料、AI、機器學習等迅速擴張的需求，可在視訊轉碼、資料庫、資料壓縮、搜 索、AI推斷、基因組學、機器視覺、計算儲存及網路加速等多項領域實現應用。賽靈思總裁兼首席執 行官（CEO）Victor Peng 表示：「這不僅對業界來說是一項重大的技術顛覆，更是 我們自發明 FPGA 以來最卓著的工程成就。這款革命性的全新架構是賽靈思更廣泛 市場戰略的一部分，將幫助公司朝著 FPGA 以外的領域發展，並突破‘僅支援硬體 開發者’的侷限。ACAP 產品在資料中心以及我們廣泛市場領域的應用，將加速自 適應計算技術的廣泛普及，從而讓智慧、互聯、自適應的世界更早成為現實。」

ACAP核心為新一代的FPGA架構，在之前的硬體整合化產品的基礎上實現軟體可編 程，突破原有的硬體限制。據Xilinx官網介紹，ACAP歷經4年研發、累計投入10億美 元，其核心是新一代的FPGA架構，結合了分散式儲存器與硬體可程式設計的DSP模組、 一個多核SoC以及一個或多個軟體可程式設計且同時又具備硬體自適應性的計算引擎， 並全部通過片上網路（NoC）實現互聯。此外，還擁有高度整合的可程式設計I/O功能， 根據不同的器件型號這些功能從整合式硬體可程式設計儲存器控制器，到先進的SerDes 收發器技術，前沿的RF-ADC/DAC和整合式高頻寬儲存器（HBM）。從本質上說， ACAP的本質仍然是基於可程式設計邏輯陣列的異構計算晶片，但在多個架構上實現了換 代與革新，並可為從雲、聯網至無線通訊、邊緣計算、端的各個市場的諸多應用提供 可擴展性和AI推斷功能，切入更為廣闊的萬物互聯市場。

四、稟賦：IP 核資源、多品類整合潛力、硬軟體協同

具備IP核資源、多品類整合潛力、高效經營機制的軍工FPGA企業有望脫穎而出。復 盤全球FPGA巨頭Xilinx成長史，且基於FPGA作為標準化IC的認知，我們認為軍工 FPGA廠商其核心競爭力與民品端一致性較強，核心圍繞「先進技術+完整生態」， 具體表現為領先的IP資料庫以支撐快速的產品迭代與邊際遞減的研發投入、多品類 及系列化的產品佈局下具備提供整合化產品增強客戶粘性的優勢、「硬體+軟體」的 一站式銷售解決客戶開發難點及增加客戶轉換成本。

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關資訊，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫官網】。