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英特尔赛灵思双雄争霸!FPGA开启第二春

看点:营收稳增、城池扩大、玩法更新,双巨头把持下的FPGA有望迎来第二春。

作为AI芯片几大主流架构之一,FPGA芯片最近明显高调起来,在GPU尚未攻占的AI推理领域开始逐渐展露独特的应用价值,不仅全面进军各大数据中心,而且在IoT和自动驾驶等终端领域稳步扩充地盘。

双巨头格局下,FPGA双雄赛灵思和英特尔,近期的日子都过的相当滋润。

今天,在FPGA领域排行老二的英特尔可编程解决方案事业部(PSG)刚刚释放大招,推出革新的FPGA产品Agilex,集英特尔10nm制程、EMIB、PCIe Gen5、eASIC等各种英特尔自研创新技术于一体。此外,PSG在2017和2018财年营收均创新高。

在过去三年间,FPGA“一哥”赛灵思的成长亦是势如破竹,不仅市值翻了将近3倍,而且实现连续十三个季度的营收增长,股价也是一路飙升。

▲2009年4月~2019年4月赛灵思股价走势

此前在过去一年,两大FPGA巨头接连抛出惊雷,这厢赛灵思换帅,那厢英特尔FPGA负责人晋升;这厢主攻AI市场,那厢挣得5G市场的第一桶金;7nm和10nm芯片的预告也均于去年发布,如今英特尔首个10nm FPGA产品已经新鲜出炉。

鏖战多年的赛灵思和英特尔(Altera),开始以不同的玩法迎接新机遇,在两大巨头集火猛攻之下,FPGA有望出现新的燎原之势,或将影响到整个半导体产业的未来发展格局。

业务布局:双雄争霸AI、5G、自动驾驶,不断收获新城池

FPGA(Field-Programmable Gate Array)全名为现场可编程门阵列,1985年由Xilinx创始人之一Ross Freeman发明,比摩尔定律晚20年出现。

FPGA和GPU一样具有并行处理的能力,在硬件固定的情况下,允许用户根据需要的逻辑功能对电路进行快速烧录,并通过升级软件来实现自定义硬件功能,最终实现灵活的、可再配置的、低延迟的加速。

▲处理器的灵活性与性能差异

起初FPGA被用于通讯、消费电子、汽车电子和工业控制领域,近几年,AI、5G、自动驾驶等新兴领域为FPGA带来了新的成长动力,亦是赛灵思和英特尔都瞄准的市场蛋糕。

1、市场格局:FPGA市场规模预计2025年达到约125亿美元

近年来,全球FPGA市场规模维持在50-60亿美元左右,长期被赛灵思(Xilinx)、Altera(阿尔特拉)、Lattice(莱迪思)、Microsemi(美高森美)四大巨头垄断。

尤其是在2015-2016年期间,全球约90%的FPGA市场份额被赛灵思和Altera占据90%,仅赛灵思的市场占比就达到53%,其龙头老大的位置稳坐如山。自2015年英特尔收购Altera后,它与赛灵思成为FPGA领域的唯二霸主。

研究机构Market Research Future(MRFR)和国盛证券研究所的报告显示,全球FPGA市场规模去年缓步增长至63.35亿美元,预计将在2025年达到约125.21亿美元。

▲FPGA全球市场规模(来源:MRFR,国盛证券研究所)

另据MarketsandMarkets最新发布的FPGA市场研究报告,以赛灵思Spartan系列和Altera Cyclone系列为代表的低端FPGA产品将占据最大FPGA市场份额,通讯领域仍将是FPGA最大的市场,而亚太地区作为全球最大汽车制造中心和5G部署宝地,将成为增速最快的市场区域。

▲2017年FPGA厂商的中国区市场份额(来源:紫光同创)

和全球市场格局分布相似,2017年在国内超过100亿元的FPGA市场中,独霸半壁江山的FPGA厂商仍然是赛灵思,英特尔的Altera则占据了超过1/4的市场份额,而我国国产市占率仅为4%。

作为赛灵思的第二大营收来源,中国在赛灵思2016-2018财年的营收占比逐年递增,与美国地区的收入差距越来越小。在中国的AI、IoT和5G均在快速发展并走向商用的情况下,FPGA的市场增量预计相当乐观。


▲赛灵思2016-2018财年各地域营收变化(单位:亿美元)

去年12月,英特尔迄今为止全球最大的聚集FPGA技术与生态的创新中心正式在重庆落地。

“我们将借中国创新中心在中国培育FPGA人才、孵化创业企业,并且携手中国大学以及业界合作伙伴在FPGA事业上大展宏图。”当时英特尔可编程解决方案事业部副总裁兼工程设计总经理Ravishankar Kuppuswamy表示,英特尔FPGA中国创新中心将成为英特尔在中国拓展和建设FPGA生态系统非常重要的载体。

显然,对于赛灵思和英特尔来说,中国市场是必争之高地。

2、财报分析:通信业务仍是最大亮点,汽车领域增阈高

2016年初,赛灵思的市值约为120亿美元,如今,这一数值已经超过320亿美元。赛灵思营收实现连续13个季度的增长,并在最近的2019财年Q3创下8亿美元的营收新纪录,同比增长34%。其CEO Victor Peng预计赛灵思的2019财年总营收将首度突破30亿美元大关。

从细分市场来看,在2019财年Q3(即2018自然年Q4),赛灵思的每个主要垂直市场均取得了增长,通信业务是其中的最大亮点,营收同比增长41%。Victor Peng称这一强势增长主要得益于韩国的5G部署以及中国、美国5G部署进入准备期”。其数据中心表现同样令人惊喜,增长接近一倍。

其先进产品亦具有相当出色的带动盈利的能力,据财报显示,其先进产品增长51%,占赛灵思收入的66%,其中高端平台Zynq增长约80%。

▲赛灵思2016财年-2019财年Q3营收变化(上)和英特尔2016财年-2018财年营收变化(下)

英特尔在2015年收购当时的FPGA界“二哥”Altera后,成立了其FPGA业务部门——PSG事业部,因此从2016年Q1英特尔的财报才开始呈现FPGA业务情况。尽管英特尔PSG在季度间的营收稍有波动,但从整体财年营收来看,其FPGA相关业务的收入亦在平稳上涨。

除了第一年营收受到9900万美元因收购Altera相关费用所产生的负面影响外,从2016年到2017年,受益于工业、军事及汽车等细分市场的增长,以及数据中心市场以及其28nm、20nm和14nm工艺产品的增长,英特尔PSG全年营收持续走高,在2018年全年收入21.23美元,同比增长11.6%。

▲边缘计算领域的算力市场规模(来源:中泰证券)

因其灵活性、低延时和稳定性等优势,FPGA 相比其他异构处理器更适配边缘计算场景。据HIS和MRFR研究及预测,未来FPGA的市场增量点将会集中在汽车(自动驾驶)、数据中心和工业智能自动化方面,汽车有望在2025年成为最大的应用领域,占比29%,数据中心及工业的占比分别被预计攀升至13%和19%。

花开两朵:两大巨头的差异化转型玩法

在AI一统数据中心江湖之际,赛灵思和英特尔显然都不打算错过这一东风。在刚刚过去的一年前,两大巨头均开始频频展露其面临新时代的野心,在确立了以数据中心为重的相似战略布局的基础上,他们对FPGA的规划开始走上了更加多元化的道路。

1、由“硬”变“软”的赛灵思:从FPGA到ACAP

作为FPGA的开山鼻祖,尽管赛灵思长期镇守着FPGA业界龙头的位置,它并没有故步自封,而是早在几年前就开始试图脱下FPGA供应商的帽子,转型成为一家完全可编程(All Programmable)公司。

基于这一战略,从2011财年到2015财年,赛灵思的市场总体份额从53%增长到56%,高端市占率保持在60%,终端市占率从1%飞速增至54%,低端市占率从40%增至51%,实现高中低端全线无短板。

2018年,赛灵思的雄伟蓝图掀开了更崭新的篇章。新上任的赛灵思第四任CEO Victor Peng自出场以来就一直连放大招,先是提出“以数据中心为先、加速主流市场增长、推动自适应计算”的三大战略,紧接着就秀出了超越FPGA的颠覆式新招牌——自适应计算加速平台ACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform)


ACAP具有高度模块化和可扩展化的特点,据称可实现CPU和GPU所无法企及的性能和功耗比。在这一全新框架下,赛灵思发布采用台积电7nm工艺的业界首款ACAP加速平台Versal系列,预计将在今年交付给客户。

此外,赛灵思还发布了Alveo系列AI加速卡,进一步推进了赛灵思向平台公司的转型。


2、双管齐下的英特尔:独立芯片与协加速器齐飞

当然,看到FPGA在数据中心的广阔市场的公司不止赛灵思,2015年,英特尔以167亿美元的高价收购FPGA领域老二Altera,这也是英特尔迄今为止最大的收购。英特尔当时的CEO Brian Krzanich预测到2020年,三分之一的云开发商将会使用混合的CPU-FPGA。


收购Altera后,英特尔引入领先的FPGA技术,并开始将FPGA技术与英特尔其他的CPU、GPU等技术和资产集成在一起,从而开拓新的高增长细分市场。与赛灵思长期专注于FPGA不同,英特尔打得是一套组合拳。

其FPGA器件主要由两类用途。一是将FPGA作为一种独立的在线加速器,预处理大量非结构化数据;二是将FPGA放在CPU旁边作为离线加速器,通过将英特尔至强处理器和加速软件堆栈无缝协作,。

通过这两种策略,英特尔扩展了FPGA加速平台产品组合,并与英特尔至强处理器、eASIC、Nervana、Mobileye、Atom等英特尔其他产品协同作用,用于解决从边缘到云端、以及网络转型和企业级应用中的复杂问题。


今日英特尔刚刚发布的Agilex FPGA更是英特尔多重创新实力的集大成者,和此前Stratix FPGA产品不同,Agilex更像是一个英特尔的不可分割的部分,能以超快速度和超高灵活性创造解决方案。

此外,在去年7月,英特尔将其可编程解决方案事业部总经理Daniel (Dan) McNamara从副总裁晋升为高级副总裁,加上12月在重庆设立FPGA创新中心,足见英特尔对FPGA业务的看重和加码。

扩充实力与扩张城池:两大巨头的拉锯战

为了稳固实力和扩大市场占比,赛灵思和英特尔除了升级自身技术和产品阵列外,均在并购和构建生态系统方面加大了火力。

从双方的隔空交战,我们也可以依稀窥探到二者在扩展中国市场上的排兵布阵。

1、收购进行时:拿下中国独角兽vs补强结构化ASIC

不知道是不是巧合,两家公司都在去年7月宣布了新的收购案,而且公布日期相隔不过5天。

2018年7月13日,英特尔宣布将拥有约120名员工的美国结构化ASIC供应商eASIC收入麾下,并将其并入PSG事业部。

eASIC探索了一条在FPGA可编程和ASIC高性能优势之间的折中路径——结构化ASIC产品,据称性能功耗都更接近ASIC,同时成本约是标准单元的1.5-2倍。

通过收购eASIC,英特尔扩展了其PSG的芯片组合,进一步优化性能和功耗,并通过实现从FPGA到结构化ASIC的低成本转换等方式,有效缩短产品上市时间并减低开发成本。

▲英特尔可编程解决方案集团公司副总裁兼总经理Dan McNamara(左)与eASIC首席执行官Ronnie Vasishta在英特尔公司总部外的合照。

赛灵思收购深鉴科技的消息则在去年7月18日凌晨释放,由于深鉴科技是中国AI芯片领域最受瞩目的独角兽之一,该收购案在国内AI和芯片产业更是引起了轩然大波。(突发!AI芯片独角兽深鉴科技被美国赛灵思收购

这一消息可以说是既在意料之外,又在情理之中。2016年成立的深鉴科技一开始选择的芯片方案就是赛灵思的FPGA,赛灵思不仅是深鉴的早期投资者,也是深鉴的重要合作伙伴。

按照赛灵思的说法,收购深鉴将进一步增强赛灵思的工程技术研发力量,被收购后的深鉴会继续将研发重点放在自动驾驶和ADAS领域。不过除了深鉴的人才、技术创新能力和发展路径外,有业内人士猜测,赛灵思的并购深鉴的主要目标是深鉴背后广阔的中国市场。

▲深鉴科技曾推出的自研AI芯片“听涛”

除了eASIC和深鉴外,还有一家以色列创企Mellanox在去年成为巨头争抢的“香饽饽”,从去年11月到今年1月底,先后传言被赛灵思、微软、英特尔竞标,收购价被预计为50-60亿美元,最终在3月被NVIDIA这个“半路杀出来的程咬金”豪掷69亿美元截胡。

这家主要做服务器和存储连接方案的网络设备供应商,几乎覆盖了包括网络控制芯片、网卡、交换机、软件等在内的各类数据中心网络产品,全球前十的大型公司有九家都选用了Mellanox的方案。无论谁最终将Mellanox收入麾下,都将为自己的数据中心硬件业务增添了一双有力的翅膀。

2、FPGA生态战升级,两大巨头瓜分天下

根据Gartner发布的最新报告,过去一年全球云服务市场呈现高速发展,服务商呈现向巨头汇聚的特点,云计算领域被亚马逊AWS、微软Azure、谷歌云、阿里云、IBM、华为云、百度云、腾讯云等等揽走绝大多数市场份额。

对于赛灵思和英特尔而言,毫无疑问,这几大超级公计算数据中心会是必争的合作对象。两家公司的FPGA产品组合均已得到许多合作伙伴和OEM厂商生态系统的支持。

▲全球几大云计算厂商用于机器学习即服务(MLaaS)的基础设施即服务(IaaS)实例分布

赛灵思在AI的生态布局上已经坐拥亚马逊AWS、阿里、百度、华为等大客户,并与这些合作伙伴共同推出FaaS(FPGA as a Service)云服务等新业务。

以阿里为例,阿里云推出的FPGA计算实例舜天F3在图片识别场景下,能提供相当于7台CPU服务器的算力,相比CPU节约了40%的TCO成本。

同样,英特尔在FPGA的生态建设方面也不落下风。在数据中心已经部署了约25万台FPGA的微软,就在其定制硬件加速器Project Brainwave项目中选择了英特尔Stratix 10 FPGA,据称对于微软自定义的8位浮点数运算,能达到最高90Tops的吞吐量,这大大帮助加速微软Azure云服务更好地运行AI。

此外,去年12月,英特尔在重庆成立了全球最大的英特尔FPGA创新中心,并计划构建专业的FPGA培训和人才认证体系,借此打造更强大的FPGA创新生态。

上升期的FPGA:技术、市场、模式之变

总体来看,FPGA在技术、市场和模式玩法方面都在稳中有序地改变,赛灵思和英特尔都在挖掘FPGA在快速部署方面的上升空间。

1、技术更新:系统算法与制程持续更新

在技术方面,近十年来,FPGA并没有出现质的突破,行业垄断已经形成。赛灵思和英特尔Altera拥有绝对的垄断地位,二者的专利加起来超过6000项,覆盖到大多数FPGA架构和核心电路、应用方案,而且这一数量还在持续增加中。

作为FPGA龙头,赛灵思一直走在技术的最前列,从第一个嵌入式处理器、第一个3D架构的FPGA到第一个ASIC+UltraScale架构FPGA,赛灵思在不断地缔造新的神话。

另外,从赛灵思最新财报来看,其20nm/16nm工艺UltraScale系列、28nm工艺7系列和Alveo加速卡等等高端产品(Advanced Product)产品,在上一财季为赛灵思带来了近2/3的收入。

在制程工艺方面,继在28nm/20nm/16nm三代产品领先,并在集成度和编程的模式上创造了重大突破后,赛灵思又要在今年率先将7nm FPGA交付给客户,而英特尔的10nm FPGA产品也在今日推出。就目前来看,两家公司都在遵循摩尔定律,按着持续缩小芯片尺寸的路径做研发。

为了解决FPGA编程门槛高的问题,除了推出简化开发难度的加速卡外,赛灵思和英特尔分别也在软件开发方面做了持续投入和钻研。

另外,在创新产品方面,赛灵思去年发布的全新ACAP架构由该公司1500名工程师历时4年、投入超过10亿美元研发而成,结合了分布式存储器与硬件可编程的DSP模块、一个多核SoC以及一个或多个软件可编程且同时又具备硬件灵活应变性的计算引擎,并全部通过片上网络(NoC)实现互连。

今日英特尔发布的全新Agilex FPGA则采用英特尔10nm工艺、新一代HyperFlex架构、嵌入式多芯片互连桥接(EMIB)封装技术等英特尔自研多项创新技术。

相信未来赛灵思和英特尔的7nm与10nm FPGA之争、以及ACAP与Agilex的正面交锋将是一大看点。

2、市场更大:数据中心、嵌入式视觉、5G和工业物联网

当下的科技行业几大热门新兴领域,包括AI、5G、云计算、嵌入式视觉、工业物联网等,都有FPGA的一席之地。

首先被赛灵思和英特尔共同视为战略重心的数据中心市场。作为支撑AI、云计算和存储的重要根据,全球多家超级数据中心均有采用FPGA加速硬件计算方案。即便近年来这一市场日趋饱和,但如FPGA加速卡等新型多功能加速器解决方案,有望为增长放缓的服务器市场带来新的活力。

云和数据中心是必争的宝地,边缘计算领域的角逐自然也不遑多让,嵌入式视觉和工业物联网均是两大FPGA巨头竞争的高地。其中最引入瞩目的应用当属自动驾驶,赛灵思和英特尔的FPGA自动驾驶解决方案均被数十家OEM品牌和上百家车型广泛采用。

目前汽车传感器中FPGA芯片的应用相对成熟。赛灵思的产品已经覆盖29个OEM品牌和多达111种车型,新推出的“ACAP”和收购深鉴科技之举都将进一步增强赛灵的实力。此前某AI芯片创企CEO曾向智东西透露,只有赛灵思有车规级的 FPGA,L1-L3层找不到比赛灵思性价比更高的平台, 因此赛灵思至少在5年内有较好的市场契机。

英特尔则通过补齐CPU、FPGA、Mobileye的EyeQ芯片以及5G和网络的大部分关键技术,在自动驾驶领域形成了一套端到端的完整解决方案。据说谷歌Waymo从2009年起就采用了英特尔至强处理器、Arria FPGA和英特尔网卡来研发自动驾驶技术。

通讯作为FPGA最稳定和最大的盈利市场,即将迎来5G的爆发,随之而来地即是对更大带宽和更强信号处理能力的刚需。这对在基带领域长期拥有优势的赛灵思和已建立强大网络功能虚拟化(NFV)生态系统的英特尔来说,都将是未来营收增长的重要来源。

上周,英特尔可编程解决方案事业部首席产品营销官Patrick Dorsey在接受时透露,英特尔收购eASIC的一个主要原因就是为了5G和无线。

3、模式玩法更新:丰富组合,革新产品

总体来看,异构计算已经成为大多数数据中心采用FPGA加速计算的主流方案。FPGA作为具有高度灵活性的多功能加速器,紧密结合应用需求,为整体计算方案带来更高的计算效率和更低的功率和成本。

在这一基础上,两大FPGA巨头都在探寻着扩展FPGA疆界的多元化玩法。除了推动平台算力升级外,赛灵思着重发力软硬件可编程性的提升,使其更加灵活的应用于不同AI场景。

英特尔则手持FPGA、eASIC、ASIC三大利器,逐步丰满其可编程解决方案的羽翼,以CPU-FPGA混合器件和打造可编程加速卡等产品的双轮驱动方式,在数据中心、网络及物联网正在推动其以数据为中心的业务。

同时两大巨头各自推出了不同于以往FPGA的全新FPGA产品——ACAP和Agilex。

ACAP被赛灵思新任总裁兼CEO Victor Peng称为赛灵思自发明FPGA以来最卓著的工程成就,对业界来说是一项重大的技术颠覆,在未来5-10年内成为市场中的重要产品。

英特尔Patrick Dorsey则表示,Agilex是英特尔首次将公司里所有的能力集成于一个解决方案,并且任何开发者均可使用。

结语:FPGA的黄金时代还未到来

FPGA可重构性、高效、低延迟、低成本等优点迎合了多种新兴市场对更灵活的硬件资源的需求。从一个独立的单一硬件个体,到与其他硬件协同作用的系统化整体解决方案,FPGA的应用边界不断扩展,它逐渐在半导体市场扮演更加重要的角色。

长期以来,FPGA面临技术门槛高、人才少和生态不完整三大挑战。赛灵思和英特尔除了升级技术外,也开始加固围绕人才和生态系统的较量。作为FPGA领域最核心的两大玩家,这两家公司从技术到应用均在引领者FPGA的未来走向。随着赛灵思7nm芯片Versal和英特尔10nm FPGA芯片投入应用,改变AI推理的市场格局也不是没有可能的事。

不过,尽管市场预测一片叫好,FPGA市场规模已经连续几年稳定在50-60亿美元区间,再加上2019年被预计是AI热大幅退烧的一年,在整体半导体市场陷入低气压的背景下,FPGA能否逆势增长还有待观察。当然,随着FPGA双巨头更加强大,中国本土FPGA厂商也亟待通过差异化创新寻找突围之路。

▲有FPGA业务的中国公司(来源:国盛电子整理,国盛证券研究所)

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