（報告出品方/作者：廣發證券，孟祥杰）

一、軍工 FPGA 的基本盤：高速化、定制化、保密性

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

IC界在定制化與標準化之間的“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 標準化與定制化之間的周期性交替，提出了有關芯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制化的硬件加速架構， 該類市場的繁榮后期往往會進化為一個大一統的架構，如此反復下芯片架構變會沿 著“標準化”與“定制化”交替發展的路線波動，每約十年波動一次。本質上定制化 與標準化的來回波動取決于多種力量，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 用算法的需求、高性能與低功耗的渴望又推動IC推向定制化；而設計自動化（EDA） 技術發展加快定制化半導體產品設計周期，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芯片“XC2000”，其自創的門陣列通 用結構推動芯片從定制化向標準化邁進，創新式的結構。據2010年論文《基于LUT 的FPGA工藝映射優化》，FPGA起源于Xilinx公司，該公司于1985年推出世界首塊 FPGA芯片，由邏輯功能塊排成陣列矩陣，并由可編程的互連資源連接這些邏輯功能 塊來實現不同的設計，是在前期PAL、GAL、EPLD等可編程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：可編程邏輯單元、可編程I/O單元、布線資 源。不同FPGA在結構上的差異主要反映在可編程邏輯資源塊上，以Xilinx的7系列 為例，其可編程邏輯塊是查找表（LUT）。查找表的物理結構是靜態存儲器（SRAM）， 因此通俗的說，可以將FPGA等效于是一片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后，FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的 所有可能的結果，并把結構事先寫入RAM，這樣每輸入一個信號進行邏輯運算就等 同于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容并完成輸出，繼而實現運算。

因此，從理論上說，只要能夠增加輸入信號線和擴大存儲容量，查找表就可以實現任 意多輸入邏輯函數，這也是為何FPGA可實現可編程的基礎原因。因為LUT主要適合 SRAM工藝生產，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工藝，而由于掉電后信息就 會丟失，所以需要外加一片專用配置芯片，在上電時由該芯片將數據加載到FPGA中， 少數采用反熔絲（CPLD）或者Flash工藝，此類不需要外加專用配置芯片。

FPGA是制程工藝上的邏輯實現虛擬化層，允許芯片流片后再決定電路，其可編程屬 性使得FPGA相比于其他處理器，在算力、成本、功耗之間取得平衡。采用FPGA可 以避免ASIC或ASSP因工藝進步而增加費用的缺點，同時利于縮短開發周期，減少 沉沒成本巨大而對于新項目開發的影響。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，具有編程、除錯、再編程和重復操作等優點，作為定制化ASIC 領域的半定制電路而出現。在采用FPGA進行設計時，設備制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后也無需執行布局、布線等工作，顯著縮短IC開發周期。相比于CPU 處理器FPGA性能更高。對于CPU，其本質是利用大規模存儲器實現在時間維度內 復用處理單元的方法，但該方法會損失處理單元的并行處理能力并帶來性能的損失， 但可通過強大的軟件庫實現任意應用邏輯，因此相比于FPGA，其性能處于弱勢（尤 其是并行處理能力），但通用性較高。FPGA功耗性優于GPU。GPU采用大量的處 理單元來實行并行處理能力，但每個軟件的自由度不如CPU，因此只能實現部分軟 件邏輯（如最早用來3D圖像渲染）。同時由于GPU采用大量的處理單元并且大量訪 問片外存儲SDRAM，其功耗相對較高。參考BERTEN發布的《GPU vs FPGA Performance Comparison》，FPGA在單位價格性能峰值劣于GPU，而在單位功耗 性能峰值優于GPU。

（二）FPGA 應用于特種領域的核心基礎：并行性、靈活性、保密性

1.強大的并行計算能力成為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》，在數字信號處理領域，開發人員需 要考慮包括性能、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，可提高精度與動態范圍），因此其運行速度 通常比DSP慢。但由于其允許幾乎無限數量的操作同時發生（強大的并行性，核心 基礎在于理論上其CLB邏輯塊與LUT查找表結構可以無限復制），因此FPGA在定點 操作和并行性上表現更為優秀，更適合于緊密的定點數學操作，如濾波（信號處理 解決方案的前端）。例如，FPGA作為與后端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，因此具有數據采集功能的 FPGA大大簡化了系統架構，如簡化后臺數據速率并降低負載。

2.FPGA靈活性特征取決于其可編輯基礎，符合軍品小批量多品種特征（源于相對 ASIC的價格優勢和流片泄密風險）。

（1）其一，FPGA的可編輯性使得其可更為靈 活地應用于諸多軍事場景。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可編程特征的優點是靈活性和適應 大多數標準的能力與容量，可以消除由于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 接關系到武器裝備（尤其是信息化武器）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 交換硬件的情況下改變武器信息系統行為。FPGA可以在不更換硬件的條件下改變 武器裝備信息系統的輸出邏輯（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 遠程訪問的能力，通過部分重構提供包括支持、服務和對現場條件的更新操作。

（4）其四，實現硬件共享。通過對一個FPGA進行部分重新配置，可實現多個應用程序， 進而實現硬件共享，其益處在于降低功耗、縮小電路板尺寸、降低外圍設備進而提 高武器裝備效益比。

總結看，2005年6月在美國國防部電子設備咨詢小組與國防部承 包商針對FPGA在軍事應用進行討論所形成的報告里指出，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的主要性能選擇指標，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的可編輯特征使保密性突出，符合軍用產品的高安全性要求。軍事設備通常 要求更高的安全性，尤其對于信息化武器。例如，據《FPGA-DISRUPTIVE TECHNOLOGIE FOR MILITARY APPLICATIONS》，軍事通信設備中的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 是獲得關于被分析系統的內部結構和系統運行模式的信息）或者通信連接方面變得 不那么脆弱。例如， Xilinx的每一個FPGA都有一個獨特ID，也稱為Device DNA，在FPGA芯片生產時“寫 死”在芯片的eFuse寄存器中，具有不可修改屬性。FPGA的DNA一般用于用戶邏輯 加密，在具備高商業價值軟核或者DCP模塊中，通常會封裝一層DNA授權功能塊， 該模塊的功能為檢測FPGA DNA號，與授權的DNA號進行對比，兩者一致后生成授 權標志信號，邏輯可以利用此標志信號做到代碼只有在授權時才能正常工作的情況。 由于每片FPGA的DNA號具有唯一性和不可更改性，將該模塊封裝后外部無修改接 口，做到其他客戶即使拿到功能源碼，里面的內核也不可復制到其他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：以數字信息處理為核心的 C4 ISR

FPGA對數字信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。在以信息技術為核心的高新技術迅猛發展下，新軍事變革 日益突出，而其實質是信息化在軍事領域的反映（參考《面向信息優勢的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、通信、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》（范燁 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，各種信息的收集、傳遞、處理過程需要盡可能減少遲時性。 例如，預測控制作為C4 ISR中指揮自動化系統的重要應用，由于指揮自動化系統復雜 龐大，需要處理的算法指標很多，相對于傳統的DSP（數字信號處理器），通過實現 以數字信號處理器和FPGA為核心的實時信號處理，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信號處理與運算。

1. C4ISR信息收集端——典型代表為FPGA具備的高性能數據處理及靈活性，使得 其在現代雷達系統得到重要應用。據《面向信息優勢的C4ISR系統關鍵技術研究》, 從C4ISR系統的發展歷程看，無論是通信、計算機、情報還是監視與偵查，各環節 的目的都在于收集、處理、傳輸、控制和利用戰場信息，以獲取信息優勢。而信息 優勢的獲取源頭來自強大的信息收集能力，現代雷達系統（相控陣雷達為代表）為 航空戰場防御與進攻的核心應用之一。據Intel官網頁面中“適用于軍事應用的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，諸如高性能數據處理，超寬帶寬，高動態范圍以及滿足 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 Stratix?V FPGA滿足了雷達和先 進傳感器技術的獨特設計要求，具有825 Gbps全雙工串行收發器帶寬，出色的信號 完整性，高度可擴展的嵌入式處理模塊以及高達950K邏輯元件（LE）的邏輯密度領 導地位，為軍事雷達和傳感器領域提供片上系統（SoC）。

2. C4ISR信息處理端——典型代表為FPGA在導彈信號處理（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具備包括高性能、低功耗信號處 理（滿足大多數包括制導，控制，瞄準和通信應用的連接性和電源要求）、可編程系 統集成（集成更多功能）、可以提高態勢感知能力并改善目標交戰范圍等優勢。此 外，從具體應用看，參考《基于FPGA的圖像預處理及DSP-CPCI橋接設計》（石婷， 電子科技大學，2007年），實時紅外圖像處理是紅外成像制導的關鍵技術。由于其 圖像處理的任務復雜多樣、數據量大、實時性要求高，采用高速硬件進行并行處理 通常為當今紅外成像導引頭中數字圖像實時處理的主要技術途徑。基于兵器工業部 第20X所承擔研制的紅外成像制導技術背景下的紅外圖像信息處理機項目，該論文 選用FPGA作為底層算法處理和接口控制的核心，負責實現紅外成像制導技術的底層 預處理算法及接口控制，在與DSP的互連下，使得系統兼顧速度和靈活性。并且， 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集成， 能最大限度地減少分立元件的使用，降低整體功耗，設計周期和開發成本隨之減少。

3. C4ISR信息傳輸端——典型代表為FPGA在軍用安全通信等方面的應用。據Intel 官網頁面中“適用于軍事應用的FPGA-英特爾FPGA”的描述， 當今安全通信設備面臨許多設計挑戰，有線產品必須滿足對數據帶寬的苛刻要求， 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，并需要同時支持包括SRW，WNW 和MUOS等多種波形。對于有線安全通信，需要支持從40G至100G甚至更高的網絡 性能，以使得在信息化戰爭下，以網絡為中心確保戰斗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（可編程芯片系統）支持超過50個標準 協議、提供低功耗、高帶寬的收發器，同時優化了尺寸，重量，功率和成本，確保操 作兼容性，同時支持具有現場更新功能的多個平臺和任務。

4. C4ISR信息控制與利用端——典型代表為FPGA在關鍵高速處理密集型電路中的 優良性能滿足典型的電子戰系統。據Intel官網頁面中“適用于軍事應用的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，緊密相連的智能傳感器網絡和智能制導武器 等。這些系統必須能夠在非常短的時間內快速分析并應對多種威脅，在尋找寬帶噪 聲中的目標特征時，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，然后發送多個軟件生成的波形以提供的目標，并需要 有強大的寬帶信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信道器和逆信道器來處理高帶寬輸入信號， 由于通道數量靈活，因此系統設計人員可以根據需要分配硬件資源與系統性能。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《基于自主可控的機 載嵌入式計算機現狀與展望》（林清，梁爭爭，許少尉，航空工業西安航空計算技術 研究所，2018年9月），我國信息技術處于跨越式發展階段，很多電子信息系統中的 芯片、操作系統因為性能、制造工藝等因素，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采用國外軟硬件產品，高性能、高可靠處理 器等核心技術存在受制于人的風險。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，陜西寶雞航空儀表，2018年6月）、《基于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，面臨元器件制造商 合并重組、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、 高密度集成的新型、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、性能和工藝特征3個方面 來考慮，而對于設計而言，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兼容、外型尺寸接近、功能性能參數相同或類似，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周期

特種計算機正逐步朝多接口、微型化、復雜化、迭代化等方向發展。據《基于FPGA 的總線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、高性能、高可靠、多接口、微型化等趨勢發展。例如，據 《基于VME總線的ARM7主控通信模塊設計》（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于核心控制地位，主 要職能為對來自各個外系統的信息數據進行運算處理，反饋運算結果并對外系統進 行控制。顯控系統內部一般按照功能結構進行模塊化設計，分為包括主處理模塊、 接口模塊、通信模塊、數據傳輸模塊、圖像發生模塊、視頻疊加模塊等，各個模塊通 過總線模塊進行連接通信。而隨著航空電子技術的發展，系統對顯控分系統的性能 提出更高要求，如要求集成更多功能、更輕重量、更小體積。但高性能、多功能的需 求與集成化、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 設備進行更新迭代、研制更高性能、更強功能的系統的技術革新已勢在必行。

1.基于FPGA橋接功能實現的總線橋接在特種計算機的應用，具有集成化、穩定性強 等優勢，并滿足多接口、微型化、高速化的迭代需求，更關鍵在于縮短裝備迭代周 期與開發成本，大大簡化橋接工作。FPGA的靈活架構與可重復編程能力使其可更容 易地實現與多種微處理器與微控制器的接口，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進行重新編程即可。據《基于FPGA的總線 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 了特種計算機的多接口特點。在主流應用及一般改型操作中，采用專用芯片來實現 多接口方式需要更高成本、更多的PCB占用面積。利用FPGA設計總線橋接技術 （FPGA+接口芯片）來替代傳統的接口轉接芯片或多擴展卡來完成多接口設計，將 包括外部接口單元、PCIE接口單元、邏輯橋接單元以及計算機電源管理單元集成在 FPGA中，對于擴展設計（更新武器裝備電子系統）則能節省設備空間布局，能夠在 保證穩定性基礎上實現計算機的多接口、微型化特點，縮短裝備更迭設計周期與減 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 集成，優化舊系統性能、體積與功耗。據《基于VME總線的ARM7主控通信模塊設 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 型顯示控制系統對于舊系統的優化設計包括：將某型模塊進行合并且增加新接口、 更新各個模塊、采用性能更優的處理器架構、大幅提高集成度、采用速度及功能更 優的內總線進行互連。例如，由于系統升級，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，對主控通信模塊的處理能力要求大 大增加。在該課題中，通過更換舊系統的HS3282專用通信芯片，采用FPGA技術設 計專用通信芯片處理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、處理與接口模塊的性能；

（2）利于實現新系統設計的集成化、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 技術的采用能夠解決原有系統模塊的元器件功能少、性能低、成本過高、供貨困難、 對進口依賴大的缺陷。

（三）聯合作戰：并行處理和現場可編程特性契合 SDR-SCA 規范需要

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》），于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“打什么仗、怎么打仗”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、規模結構和力量編程改革成果，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，打造橫縱互聯信息網是軍用通信目標之一。 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，軍用通信的實時性、準確性和安全性就成為衡量聯合 作戰戰斗力的關鍵性（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信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 軍事力量基于軟件無線電（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“最低限度應急通信網（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信的目標和需求：JTRS 是美軍公開的唯一一種意在兼容所有軍兵種通信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）通信。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，為了明確并細化這一要求，美軍特意制定JTRS規范框架—— 軟件信息架構（SCA），對硬件、軟件、接口的法則、方法及使用標準進行了規定， SCA目前已超越軍用領域、成為軟件無線電SDR技術界普遍接受的一種標準化規范。 （SCA規范要求之一是“現場可通過軟件安裝重構其工作方式及性能，以實現不同 波形組件的移植”。）SCA架構以往通常通過“通用目的處理器（GPP，如CPU、 GPU、MCU等）”實現，但隨著無線電帶寬和速率的提高，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 的硬件架構也會阻礙通信效率。因此，SCA架構下的SDR亟需一種“價格相對低廉、 提供并行高速運算”或者“能夠實現硬件可編程”的新器件。

FPGA具有的強大并行處理和現場可編程的特點能夠同時滿足SDR-SCA的上述兩 點需求。首先，FPGA并行并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，帶寬規模越來越大，數據交換速率越 來越高。如上文提到的JTRS共支持43種軍事無線電波形，其中某些新型波形算法更 加復雜、帶寬需求更高，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，成為專職負責數據并行處理 的協處理器，而將GPP的資源節省下來用于控制、協調等其他用途，提高SDR系統 的整體工作效率。其次，FPGA現場可編程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）和波峰系數削減（CFR）四種子功能， 使用FPGA可以通過重編程特性實現一塊器件四塊功能，并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；或當帶寬規模巨大，逼近GPP運 行極限時，令作為協處理器的FPGA重新配置，跳過軟件層面的標準轉換而成為硬件 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 軟件轉換器）；另一方面，若隨著協議標準迭代，舊的硬件結構已經不適應新協議的 性能要求，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在美軍聯合作戰通信中的應用會進一步鋪開，并具備拓展到民用領域的潛力 及可能性。據《面向SCA的DPR軟件架構設計與調度技術》（郭彪、唐麟等，2021 年3月），美軍主導制定了聯合戰術通信系統和聯合戰術網絡中心計劃，在2012年全 面實現軟件無線電電臺裝備體制，截至到2017年底裝備約50臺各型軟件無線電電臺。 聯合通信在海事通信、衛星通信、民航通信的聯合并軌方面有指導意義，隨著SCA 標準向商用領域和民用領域的不斷擴散，預計FPGA在聯合通信場景的市場需求會被 進一步拓寬。

（四）電磁對抗：FPGA 為產生戰場復雜電磁信號提供重要的技術支撐

電子對抗為現代信息化戰爭的先導。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信息化戰爭趨向于打破 軍兵種界限的一體化聯合作戰，電子對抗作為現代信息化戰爭的先導并貫穿戰爭始 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于電子戰的重視。據天銀機電2018年年報， 2018年美國陸軍通過發布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；美國海軍發布第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年底總裝備部下達復雜電磁環境下戰技指標考核要求。解放軍報也于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、智能化戰爭也是以電磁頻譜的自由利用為前提，電磁斗爭將是未來軍事 競爭戰略制高點。

現代仿真系統的建立與完善已成為電子戰等信息系統從研制到裝備不可或缺的重要 組成部分。據《仿真技術在雷達電子戰系統中的應用研究》，“由于現代戰場電磁環 境的復雜性和電子信息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 以完成對電子信息裝備及其裝備體系在作戰中的實際效能和各種電子信息裝備平臺 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、 試驗結果不可重復等明顯缺陷。因此，近年隨著計算機、網絡、仿真等技術發展，虛 擬戰場的概念應運而生，利用仿真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，仿真技術的運用已成為 提高美軍部隊作戰效能的有效手段。據《美軍作戰仿真系統綜述》，美軍根據仿真的 應用需求建立了數以千計的仿真系統：美軍已于20世紀80年代初開始引入一體化、 分布式仿真技術以協調完成復雜的仿真試驗任務，至90年代中期美國在分布交互式 仿真體系下完成的仿真實體數最高可達50000個。

在復雜電磁環境背景下訓練有益于有效提高部隊在信息化戰爭中的作戰力。據《基 于FPGA的多模式信號源的研究與發現》（汪東雷，國防科學技術大學，2010年11 月），由于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 統戰場并重的新要素——電磁環境。目前電磁環境日趨復雜化，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、能量上分布數量繁多、樣式復 雜、密集重疊、動態交迭的電磁信號構成的電磁環境。基于此，構建復雜電磁環境， 力求構建接近實戰的戰場電磁環境，有利于提高部隊在現實信息化戰場的作戰能力。 該文提出，在訓練中構建復雜電磁環境，除了利用真實的武器裝備外，還要大量依 靠信號模擬器、計算機模擬技術、分布交互仿真技術、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采用的方法。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信號模擬器可模擬地空導彈系統、通 信干擾機等信號等。

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，統籌布局軍事訓練重點任務。軍委管理部領導介紹，打通戰斗 力生成鏈路，強化聯合訓練引領，突出重點對象領域，發展推進科技練兵，創新體系 練兵模式推進轉型，優化訓練保障布局，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性能要求優良解決方案。隨著信息技術的 不斷發展，對于真實戰場通信環境中的高頻段、多樣式、高密度的電磁信號環境的 仿真研究不斷加強，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、多信號樣式、大信號密度、多方位、動態可控的復雜電磁環境模 擬信號，并且需要保證信號產生的標準性、穩定性和達到高水平的場景仿真真實性。 幾乎所有電 子戰系統應用程序的設計人員都使用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模塊，在解決計算密集型信號處理、數據處理、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芯片的主 要目的是執行前端傳感器處理，因為其需要高水平的并行處理以及足夠靈活、豐富 的I/O接口。因此，在尋找適用于電子戰和雷達應用的最佳FPGA硬件時，重要的是 要考慮電路板和系統架構、I/O帶寬、傳感器接口選項、存儲器帶寬、FPGA處理能 力和加固能力。

三、復盤：集成平臺促器件綜合、擴張邊界破產品局限

（一）復盤海外特種集成電流市場：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溢出效應》（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，并通過國防高技術轉換為民用，形成新的產業群，并在此基礎上帶 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 民用后，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（即國防轉民用后經營好的企業凈利潤率可在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出效應。據《國防高技術產業R&D 溢出效應》（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數據為樣本，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溢出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，并用回歸分析方法，對國防高技術產業 的R&D溢出效應進行了衡量，得出結論認為軍工電子對電子通訊設備制造業存在較 大的溢出效應。

復盤海外，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持，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），從雷達和數據處 理開始，微電子技術支撐了戰略司令部到現場通信、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于美國政府 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持的經驗與啟 示》（張曉蘭，黃偉熔，國家信息中心經濟預測部，2020年第8期），美國采用國 防采購資金支持產業發展，而集成電路產品與軍事領域關系密切，依托軍備采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 用集成電路、1961年Ti公司與美國空軍共同研制出首臺集成電路組裝計算機，軍隊 注入大量資金為美國半導體產業發展提供了強大支持，直接推動產業擴張和技術進 步，為美國集成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%的集成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件推出引領行業發展方向。 Xilinx（賽靈思，XLNX）成立于1984年，是一家提供半定制可編程邏輯器件解決方 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，市占率超過50%，目前處于全球相關行業的龍頭位置。Xilinx 的產品主要應用于國防工業、5G、汽車電子、數據中心等領域。Xilinx屬于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半定制化的可編 輯性和靈活性成為其綁定高端通信客戶的先天優勢，但定制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，通過提供泛用性的編程解決方案向下游其他市場突圍。1985年，Xilinx 推出世界首款商業化FPGA芯片“XC2000”，通過自創門陣列通用結構推動產品標準 化開端，隨后公司推出Virtex芯片和配套Easypath編程邏輯解決方案進一步降低用戶 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世紀后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%水平且震蕩上升。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的推出和軟件平臺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，營收占比之和超過80%，主營業 務集中度高。國防、工業、TME（測試、測量&仿真）業務為公司長期以來的絕對主營業務，營收占比接近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%。

外部并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，致力于增強技術優勢，泛化拓展產品邊界，如收購Solarflare為公司 提供SmartNIC技術以降低網絡連接低延遲，收購DeePhi以優化軟件，提升FPGA在 視頻和圖像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，致力于為客戶提供更專業豐富服務、打造可編程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%年復合的增長率持續 上漲，到2020年已實現每年超過8億美元的巨額投入，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 塊和硬不可編輯模塊相結合，賦予用戶動態調整硬件的能力，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：軟件工具、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，編程語言的專用性及流程的 復雜化等加大第三方企業滲透的難度。用戶在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、工藝映射工具、邏輯打包工具、布局工具及布線 工具等一系列EDA設計工具。從工作內容看，一般FPGA的EDA軟件處理包括以下步 驟，電路設計、邏輯綜合、工藝映射、布局布線、仿真和編碼下載等。具體看，據西 安電子科技大學2010年碩士論文《基于LUT的FPGA工藝映射優化》，FPGA支持軟 件的設計流程，是從用戶的設計輸入開始，首先進行邏輯綜合，將設計輸入轉化為 網表文件并優化，而后采用約束庫進行技術映射，再進行布局布線、時序分析、功耗 分析、仿真煙增，最后匯編產生二進制的比特流文件下載到芯片，繼而完成FPGA的 開發。

在布局布線中，因支持FPGA開發的EDA軟件需要將電路描述為FPGA芯片的配置 信息，因此EDA設計軟件必須利用FPGA芯片的內部結構信息，而為了該信息不被 泄密而增加芯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 仿真）可使用第三方工具外，FPGA芯片供應商一般都提供自己設計的EDA后端工 具（如工藝映射工具、布局布線工具等），如在21世紀初期Altera、Xilinx分別有自 己的開發工具Quartus II、ISE工具。專用工具的復雜化與FPGA技術升級相互驅動， 結構越復雜、密度越高、性能越強的FPGA往往會帶動相關軟件的復雜化、升級化， 因此軟件的供應能力與專用性形成FPGA企業的壁壘之一。制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在先進制 程的推出時間上相差不大，因此軟件帶來的競爭優勢相對而言會更為持久。

2.軟件復雜化及專用化帶來使用者更高的轉換成本。對于芯片設計商而言，產品相 對更趨于標準化。而對于下游客戶而言切換使用平臺的難度更多取決于其本身的產 品粘性及陡峭的軟件學習曲線，即使是開發新設計，對于客戶而言轉換FPGA供應商 的成本也更高。FPGA需要獨特的硬件語言編程，當制程工藝越先進，使用復雜特定 開發軟件即意味著需要更多的精力。例如，隨著FPGA廠商逐步提高產品集成化，在 芯片中涉及大量的LUT結構、高性能運算單元、應用處理器、內存層次資源等。雖然 體系結構的復雜化增強了產品并行處理性能的優勢，但也增加了客戶編程的復雜性。 因此，一旦客戶設計團隊熟悉供應商特定的開發軟件，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，對于Altera和Xilinx而言二者在起步階段并無重 大的、領先的器件優勢，而各自軟件優勢（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，并可創造邊際成本接近為0的類 AMD模式。IP核也稱為知識產權核或知識產權模塊，是集成電路中可重用設計方法 學中針對芯片設計的可重用模組。對于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。對于FPGA廠商而言， 更多使用的硬IP內核（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等硬件描述語言的功能塊）相比可實現更低成本、更高性能與 更低功耗。例如，對于Xilinx，2014年其支持類產品（軟件、配置方案、IP核以及設 計設備）實現收入0.83億美元，占總銷售收入的3.5%。相比于硬件銷售，IP核等作 為研發費用已前置的產品，對于Xilinx而言銷售給客戶的邊際成本接近為零，具備高 利潤率、易復制等特征。

4.高中低端互補、差異化與集成化共存的產品布局戰略。具有從45nm到7nm的全制 程覆蓋，利于Xilinx拓寬其產品應用范圍及目標客戶，進一步增強客戶粘性，并在一 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、數據存儲、汽車等多應用場景的拓展，利于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）集成平臺，實現多器件綜合，突破現有市場限制并增加客戶粘性

相比于AISC在量產期的低成本，FPGA在發展初期往往更多用于量產規模小的原型 制造、產品初期驗證或者與其他芯片共同出售，限制FPGA的規模應用與市場開拓。 因無需高額流片即可驗證芯片產品，在量產初期或者開展研發類項目，FPGA的性價 比優勢最為明顯，可實現對ASIC的部分替代。但當量產規模提升后，FPGA的性能 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。

量產后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）主要由通信產品推動。 在通信等領域，FPGA有著廣泛的應用，因其需要高速的通信協議處理方式（契合 FPGA的優良并行處理能力），另一方面通信協議隨時都在修改（契合FPGA的可編 輯性），不適合做成專門的芯片，所以具備可編輯性的FPGA就成為相關通信廠商權 衡成本與性能后的首選。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，除通信領域以及規模化應用前的 ASIC驗證外，高速數字信號處理領域也是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于消費端仍有一定差距。基于此，Xilinx 在1998-2001時期通信類產品收入占公司總收入接近75%（月度）。

芯片制造技術的進步使得Xilinx可以在原有產品上集成更多功能，繼而打破現有應 用市場的限制。相比于此前的單純可編程門陣列架構，得益于芯片制造技術的進步 （摩爾定律推動下，集成電路晶體管數量在單位晶圓面積下擴增，同時成本也更低）， Xilinx通過推出高端產品集成更多功能，提供更低價格的集成解決方案。例如，2001 年后期Xilinx在其高端Virtex產品和Spartan產品線中實施該戰略，借此切入潛在市場 規模更大的DSP或者MCU等市場。

高端產品實現集成化與低成本化，增強產品競爭力與客戶粘性，并進一步向對價格 敏感程度高的消費級市場拓展。2002年，Xilinx發布Virtex-II Pro FPGA系列產品，并 在2003年發布新價格點，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于采用300毫米晶圓制造工藝以及同類產品中最小的芯片 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美元的價格提供集成有超過6700邏輯單元和500K位嵌入式塊存儲器，以及一 個嵌入式PowerPC處理器和四個RocketIO串行收發器的FPGA器件；以不到100美 元的價格提供集成有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，得益于同步開發的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編程邏輯解決 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 一步綁定。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。對于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，并實現低成本 化，并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頻設備）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，降低軟件編程壁壘與產品應用局限

從客戶需求出發，協助客戶從FPGA向ASIC實現轉變，為客戶提供可行的芯片研發 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，從成本與性能 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。對于Xilinx，根據 客戶所要求的用途定制測試設備而后將其出售。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 定制芯片。然后，Altera將節省的成本（可以在90％的范圍內）轉嫁給客戶，并可實 現對客戶的挽留，這種半定制設計方法可以為客戶提供技術優勢和卓越的性能。

FPGA規模普及難點之一為較高難度的編程設計（客戶角度），因此Xilinx一直致力 于增加軟件的通用性以進一步降低客戶的使用壁壘。對于更新周期極快的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、盡可能實現集成化 需求。2012年，Xilinx推出從2008年開始編譯的集成設計環境——Vivado設計套件， 該套件包括高度集成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，可解決用戶在系統級集成和 實現過程中常見的生產力瓶頸，并在后續逐步升級。

一方面，該套件可為客戶解決 集成化、組件化的設計瓶頸。例如，Vivado設計套件采用了用于快速綜合和驗證C語 言算法IP 的ESL設計，實現重用的標準算法和RTL IP封裝技術，標準IP封裝和各類 系統構建模塊的系統集成，模塊和系統驗證的仿真速度提高了3倍，與此同時，硬件 協仿真性能提升了100倍，相對于同類競爭工具，Vivado設計套件從總體上把集成度 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開發套件支持C語言到RTL的映射，以及支持億門級電路設計。簡單來說，一 般業績算法開發常采用C、C++和SystemC高級編程語言。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采用上述語言編寫的算法轉換為適合于綜合的 Verilog或VHDL硬件描述，而Vivado開發套件系統版本中提供的Vivado高層次綜合 功能可輕松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硬核輕松嵌入基于RTL的設計流 程中，使得硬件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設計生產力的局限性。該版本在后續得到逐步更新，如在最新的Vivado HLx Editions中，因采用了基于C/C++的設計和加速復用、特定領域專用庫、IP子系 統、集成自動化、加速設計收斂等，相比采用傳統方法而言，可將用戶的生產力提高 10-15倍。例如，對于視頻運動估算算法，C輸入到Vivado HLS這種方式能夠在10秒 內執行10幀視頻數據，而對應的RTL模型處理同樣的10幀視頻則需要大概兩天時間 才能完成。

為適應人工智能與機器學習需求推出軟件設計平臺，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，并在Vivado的基礎上實現覆蓋硬件、 軟件、AI與數據科學家的開發生態系統。Xilinx歷經五年、投入1000個工人年，于2019 年推出Vitis統一軟件平臺，并宣布其重要組件Vitis AI開放下載。ViTIs統一軟件平臺 無需用戶深入掌握硬件專業知識，即可根據軟件或算法代碼自動適配和使用賽靈思 硬件架構，并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 戶可專注于算法的開發。Vitis平臺構建在基于堆棧的架構之上，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 和預編程I/O構成的目標平臺；第二層為Vitis核心開發套件，并提供包括編譯器、分 析器和調試器等核心開發工具，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集成；第三層為由8個Vitis庫提供的400余種 優化的開源應用，借助此類庫軟件開發者可以使用標準的應用編程接口來實現硬件 加速；第四層為具有變革意義的Vitis AI，集成的特定領域架構為客戶提供了針對AI 模型的硬件實現。從最開始的硬件開發平臺Vivado，到后面的OS和固件SDK，包括 一些嵌入式的軟件開發環境，到不同的云計算的開發，Vitis實現將各類環境、語言、 庫不同，針對包括云和邊緣統一到平臺，以適應當下AI、機器學習等對計算能力與 開發能力的需求。

實現從傳統硬件公司轉型為軟件平臺公司。作為公司戰略之一，Xilinx致力于“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系，實現 資源整合與開放生態系統。硬件+軟件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，尤其對于FPGA廠商而言（編程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對于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 并行計算能力，更因為其豐富的生態系統。2006年英偉基于GPU推出基于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。對于CUDA， 除易于編程與性能提升外（采用通用并行計算架構，該架構使GPU能夠解決復雜的 計算問題，開發人員可以使用C語言為該架構編寫程序，編寫出的程度可以在支持 CUDA的處理器上高性能運行，并在2010年推出的CUDA 3.0支持C++與FORTRAN，目前已支持包括Python在內的多種高級編程語言），與任何新平臺一樣，CUDA的 成功依賴于CUDA生態系統可用的工具、庫、應用程序和合作伙伴。也正如黃仁勛在 GTC 2019 技 術 大 會 上 所 說 “ 生 態 系 統 是 使 GPU 計 算 成 功 的 關 鍵 ” ，并在該大會上發布統一化的生態系統——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 度的軟件加速。計算性能接口的最簡化，將極大地加速整個軟件和應用的開發工作， 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，契合機器學習算法 等對計算資源等需求。2018年3月，Xilinx宣布推出一款超越FPGA功能的突破性產 品——ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform，自適應計算加速平臺）。 ACAP為高度集成的多核異構計算平臺，采用臺積電7納米工藝技術開發，可根據各 種應用的需求從硬件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的性能與性能功耗比。ACAP產品的推出積極契合 大數據、AI、機器學習等迅速擴張的需求，可在視頻轉碼、數據庫、數據壓縮、搜 索、AI推斷、基因組學、機器視覺、計算存儲及網絡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，并突破‘僅支持硬件 開發者’的局限。ACAP 產品在數據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，從而讓智能、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，在之前的硬件集成化產品的基礎上實現軟件可編 程，突破原有的硬件限制。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，結合了分布式存儲器與硬件可編程的DSP模塊、 一個多核SoC以及一個或多個軟件可編程且同時又具備硬件自適應性的計算引擎， 并全部通過片上網絡（NoC）實現互聯。此外，還擁有高度集成的可編程I/O功能， 根據不同的器件型號這些功能從集成式硬件可編程存儲器控制器，到先進的SerDes 收發器技術，前沿的RF-ADC/DAC和集成式高帶寬存儲器（HBM）。從本質上說， ACAP的本質仍然是基于可編程邏輯陣列的異構計算芯片，但在多個架構上實現了換 代與革新，并可為從云、聯網至無線通信、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、多品類集成潛力、硬軟件協同

具備IP核資源、多品類集成潛力、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，且基于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數據庫以支撐快速的產品迭代與邊際遞減的研發投入、多品類 及系列化的產品布局下具備提供集成化產品增強客戶粘性的優勢、“硬件+軟件”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。如需使用相關信息，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫官網】。