解析FPGA竞争格局背后的驱动因素
投资摘要：
fpga是一个高度集中的市场，龙头赛灵思占据过半份额，前4名玩家合计份额90%+。凭借高进入壁垒，清晰且确定的竞争格局，美股fpga厂商的估值在同类数字芯片公司中均位居前列。此外，龙头赛灵思在快速增长的市场，维持了近20年50%+的市场份额，以及较高的roic水平，足以说明其极强的竞争优势。 我们在系列报告一《fpga给用户提供了什么价值？》中，阐述了fpga的价值在于高灵活的特性和高并行的架构，我们亦提到了fpga竞争的关键点在于：制程领先、产品定义、架构创新以及eda工具的易用性。
在本篇系列报告四中，我们将阐述fpga清晰的竞争格局背后的原因，通过对fpga全球三大公司xilinx、altera和lattice的发展历史进行了详尽的复盘，系统地回答这些问题：fpga商业模式的本质是什么？fpga厂商自身的价值在哪里？为什么龙头能有这么强的护城河？ 我们认为，fpga的商业模式的本质是，用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性，龙头之所以能有强的垄断性份额，是因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者；2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力；3）生态的培养效果最好。
复盘1990-2022年fpga竞争格局演变，我们发现了什么？制程竞争是贯穿fpga整个发展历史的竞争主线，制程领先是fpga市场份额最直接的决定因素。除此之外，在fpga发展的不同阶段，有着不同的阶段竞争主线，实质是fpga不同阶段的性能突破点：门级数竞争是fpga厂商第一阶段的竞争主线（1984-2000），fpga不断提升自身容量以获得替代asic的市场，门级数领先者往往获得大部分市场份额。集成度竞争是fpga厂商第二阶段的竞争主线 （2000-2010），将板上分立的dsp等器件纳入到fpga，背后是减少电路面积、降低功耗和系统成本的需求，先推出高集成度fpga的厂商获得了更多的替代dsp等竞争产品的份额。异构化竞争是fpga目前的竞争主线 （2010-今），fpga厂商竞相推出soc fpga，通过将板上的cpu等处理器嵌入到fpga中，使得soc既具备cpu的灵活性，又具备fpga的高并行计算能力，进一步提升系统性能、减少板上面积和功耗，不断并获得来自嵌入式处理的市场。
fpga商业模式的本质？用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性，这些小批量应用累积起来的出货量足以支撑fpga的制程不断升级。fpga是高度标准化的芯片，通过改变fpga中lut4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。随着芯片制程的提升，研发成本变得愈发昂贵，为小批量的应用开发一颗asic/assp变得越来越不经济，越来越多的客户转向使用fpga。 为什么龙头能有这么强的护城河？因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。
fpga如何锁定客户？由于最关键的布局布线只能在fpga厂商自己的eda中进行，使得fpga的软硬件形成极强的绑定。如无必要，客户通常不会更换fpga厂商，而是根据自身的量产计划每年重复订购，展现非常强的客户粘性。同样地，为了减少转换成本，客户会倾向于沿用上一代fpga的供应商，跨代际的客户黏性也非常强。
如何理解fpga的规模经济？
价格上，fpga有着非常陡峭的降价曲线；需求上，出货量的顶峰一般在第5-6年达到，这使得fpga生命周期中约60%的收入在前6年发生，后9年fpga参与者通常面对的是量价齐跌的市场。由于量大的客户在前两年就会被领先的玩家锁定，如果不能做到前两年内推出新一代制程的产品，基本就会错失这一代产品市场收入最多的阶段。因此，对于fpga厂商来说，竞争策略就是尽可能领先对手推出新一代的产品，在前2年完成尽量多的design-wins，以获得更多被锁定的客户。在获得强劲的design-wins之后，fpga厂商凭借hvm（high-volume manufacture）阶段的大量订单迅速降低成本，并进一步开启激进的降价，以阻止落后的竞争者进入。由于fpga的eda和硬件强绑定的特性，客户转换成本极高，fpga的头部厂商在获客成本上出现规模经济，高的在位优势进一步提升了行业的进入壁垒。在2-3轮制程迭代后，落后的厂商愈发无法获得足够的收入以投入到下一代产品的开发，选择退出，市场上其他玩家的比例会大幅减少，市场份额会向头部集中，清晰的格局使得fpga头部厂商的毛利率均稳定维持在60%+的高水平区间。fpga龙头在研发上同样具有规模经济。此外，fpga厂商收入曲线的本质是每一代产品收入曲线的叠加，必须每2-3年推出新品，以避免产品周期造成的收入下滑。
我们从fpga的客户的视角分析，发现客户对fpga主要有两大诉求：一是为自己的产品获得竞争力的提升，二是降低开发的风险。从客户的视角延伸到fpga竞争的关键因素，我们总结为以下六点：客户关系、产品、ip库、软件、制造和运营能力。 我们认为，赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者。 2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力。 3）生态的培养效果最好。
风险提示:下游需求不及预期，中美贸易摩擦加剧。
我们在系列报告一《fpga给用户提供了什么价值？》阐述了fpga的价值在于高灵活性及高并行超低时延的计算能力，我们亦提到了fpga竞争的关键点在于：制程领先、产品定义、架构创新以及eda工具的易用性。在本篇系列报告四中，我们将系统地回答这些问题：fpga厂商自身的价值在哪里？fpga厂商的竞争究竟在拼什么？龙头赛灵思是如何培育竞争优势的？ fpga是一个高度集中的市场，龙头赛灵思占据过半份额，前4名玩家合计份额90%+。根据marketsandmarkets数据及我们估算，2022年，fpga龙头赛灵思全球市场占有率为50%，与第二名英特尔（收购altera）的25%拉开了明显差距，而作为行业第三、第四名的lattice和microchip（收购microsemi）市场份额接近，均不超过10%。行业呈现高度集中态势，cr4超过90%，且均为美国公司。其中，龙头赛灵思在2003年市占率超过50%，在随后20年间，基本保持在50%以上。
龙头赛灵思维持了近20年的50%+的市场份额，以及较高的roic水平，足以说明其极强的竞争优势。赛灵思自1984年发明fpga以来，市场份额从1990年的18%一路爬升到2003年的50%，并在随后20年间基本维持在50%上下，而在1990-2019近30年间，fpga市场复合增长率为14%，一直保持着较高速度的增长。赛灵思在03年后的roic一直维持在15%上下的较高水平，并在2018-2019年爬升至20%+。在一个快速成长的行业中，龙头能在15%+的roic水平维持近20年的50%的市场份额，足以说明fpga龙头有着非常强的竞争优势。
美股fpga公司高估值的原因？高进入壁垒，清晰且确定的竞争格局。fpga虽然是一个不大不小的市场（2022全球83亿美元），但凭借高进入壁垒，以及确定且清晰的竞争格局，使得美股fpga厂商的估值在同类数字芯片公司中均位居前列。
01
复盘1990-2022年fpga的
竞争格局演变，我们发现了什么？
制程竞争是贯穿fpga发展历史的竞争主线，制程领先是fpga市场份额最直接的决定因素。fpga的通用性使其走线和面积比起asic来说不是最优。因此，fpga必须在制程上做到领先asic或者assp数代，以带来更有竞争力的性能表现，这使得fpga对制程的追逐是必然的选择。此外，fpga从新品发布到量产阶段中间存在客户导入环节，在这期间客户评估不同厂商新推出的fpga，最后确定一家在后续量产的产品中使用，并在上面完成自己的电路设计，即一个design-win，这一过程通常需要9-12个月。由于开发环境、产品架构等各不相同，一旦确定了之后，用户转移到另一家fpga是非常困难和费时的。这种高绑定的特点，造就了fpga非常强的壁垒，使得最先推出的玩家往往能赢得大部分市场份额。一般来说，在最新制程的design-wins能预测2-3年后在fpga市场的份额，而且能在下一轮制程竞争中享有一定的在位优势，因为客户通常不会轻易更换供应商。fpga龙头赛灵思历史上是制程领导者，市场份额从2003年后便维持在50%的水平，除了altera能跟上赛灵思的节奏，行业其他玩家均落后龙头2-3个代际。
除了贯穿整个历史的制程竞争外，在fpga发展的不同阶段，有着不同的阶段竞争主线，实质是fpga不同阶段的性能和技术突破点： 门级数竞争是fpga厂商第一阶段的竞争主线（1984-2000）。替代asic的背后是性能提升的需求，门级数领先者往往获得大部分市场份额。90年代，复杂的电子系统要求百万门级的规模，大多使用标准单元和门阵列实现。90年代初，fpga的容量只有20-50万门，尽管脱离了胶合逻辑的市场，但仍无法进入更高端的asic市场。鉴于此，在整个90年代，fpga厂商纷纷在门级数上展开竞争，谁先把更高密度的产品做出来，谁就能先吃掉替代asic市场的蛋糕。通过lut输入数量、簇结构、互联形式等的架构改善，辅之以摩尔定律的推动，fpga的密度和速度得以飞速提升。fpga厂商一旦把更高密度的产品做出来，低密度就开始大幅降价，落后的厂商不断被淘汰。在激烈的门级数竞争中，xilinx和altera先后在1998-1999年跨越100万门的限制，开始加速替代门阵列、标准单元和asic，市占率得到持续的提升。
此阶段，fpga竞争者之间开展激烈的专利战，以捍卫自身在高密度架构和eda上竞争优势。例如，altera作为cpld的发明者，1992年通过推出flex进入fpga市场，xilinx在1993年便开始与altera开展了长达8年的专利战，双方互诉对方产品侵权，并不断将对方包括cpld在内的新品加入侵权列表，最后在01年以近似和解结束——altera向xilinx 支付了2000万美元，并互相进行专利交叉互换，承诺5年内不向对方提起专利诉讼。1999年，altera还与clear logic开展诉讼，指控对方利用altera的eda软件为客户进行pin-to-pin的fpga到asic的转换，最后使得clear logic在2002年退出市场。
集成度竞争是fpga厂商第二阶段的竞争主线（2000-2010）。将板上分立的dsp等器件纳入到fpga，背后是减少电路面积、降低功耗和系统成本的需求，先推出高集成度fpga的厂商获得了更多的替代dsp等竞争产品的份额。90年代中期，fpga厂商发现用户在使用fpga时，会频繁将lut作为存储使用（即“软”实现），占用了许多逻辑单元，导致fpga容量出现不够的情况。因此，ram是第一个被固化到fpga中的单元。将这些用户频繁使用到的功能固化到fpga中，可以极大地提升计算效率，用户也不需要为浪费宝贵的逻辑资源而烦恼，而且可以减少板上的走线、管脚和焊盘，进而减少pcb板的面积和功耗。例如，将dsp嵌入到fpga中（而不是通过万能的lut+寄存器实现），可以节省80%的功耗和分立的dsp在板上占用的面积。因此，在90年代末完成门级数的超越后，fpga厂商的竞争主线从门级数转向集成度竞争，先后将原本属于板上的ram、dsp、收发器等单元嵌入到fpga中，以降低客户的功耗和总系统成本，并进一步蚕食板上其它分立器件的市场。altera的flex 10k是第一个嵌入了ram 的fpga，xilinx在00年通过收购rocketchip拥有了高速收发器能力，并在02年3月发布的virtex ii pro中嵌入了收发器。
然而，并不是一个fpga上集成了越多固化单元就越好，除了最高端的客户，许多客户往往只需要特定方向上的固化单元集成。因此，fpga厂商开始将产品线分化，xilinx推出了高端的virtex和低成本的spartan两条线，virtex针对复杂的通信设备市场，spartan和cpld coolrunner针对消费电子市场。其中，virtex还区分了多个产品系列，比如virtex 4中，lx是最高端的fpga，针对大型的高密度通信应用，而sx系列上嵌入了丰富的dsp资源，用于替代分立的dsp器件，fx加入了高速串行连接。altera也在02年推出了高端的stratix和低成本的cyclone，stratix还分化了一个包含高速收发器的stratix gx系列。可见，集成度竞争的背后是产品定义的竞争，反映了fpga厂商和客户沟通和需求把握能力。
异构化竞争是fpga厂商目前的竞争主线 （2010-今）。fpga厂商竞相推出soc fpga，通过将板上的cpu等处理器嵌入到fpga中，不断获得来自嵌入式处理的市场。因为走线从pcb转移到片内，处理时延更短，因此整体性能更高，并进一步减少板上的面积、降低功耗，使得soc既具备cpu的灵活性，又具备fpga的高并行计算能力。例如，xilinx的rfsoc嵌入了arm+4片adc+4片dac+1片kintex ultrascale+ fpga，相比分立的方案面积减少了50%，功耗降低30%-40%，成本降低40%-60%，时延比jesd204降低80%-90%。 自从2010年xilinx推出zynq 7000开始，fpga进入了异构竞争的时代，进一步抢占原来使用分立的fpga+cpu方案的市场。在xilinx的zynq系列中，pl（fpga）与ps（arm cpu）之间通过axi总线通信。xilinx在后续推出了针对高清视频处理的zynq mpsoc，以及针对无线通信的rfsoc。目前xilinx的zynq系列soc fpga在工业、多媒体处理、通信、医疗有非常广泛的采用，最新的系列是在18年开始陆续推出的7nm acap versal家族，在fpga基础上嵌入了cpu和xilinx的ai引擎，单元之间通过高速noc相连。altera/intel同样，自2011年开始陆续推出了cyclone、arria、stratix和agilex的soc fpga，覆盖低成本、性价比和高端场景。
02
fpga商业模式的本质
以及龙头竞争优势的来源？
在这里我们将深入为大家解答：fpga商业模式的本质是什么？为什么龙头能有这么强的护城河？我们认为，fpga的商业模式的本质是，用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性；龙头之所以能有强的垄断性份额，是因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。 fpga商业模式的本质是用高标准化的芯片覆盖长尾市场，以产生经济性，这些小批量应用累积起来的出货量足以支撑fpga的制程不断升级。正如我们系列报告一提到的，fpga是高度标准化的芯片，通过改变fpga中lut4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。这一硬件可编程的特性，使得同一片fpga既可以在5g的基站中实现信道编码的功能，也可以在重新配置后放在数控机床中实现电机控制的功能。因此，fpga又被称作“万能”芯片，可以用于实施任何电路设计。而asic/assp面向的是特定方向的大批量应用，诸如手机、pc、tv、机顶盒等的每年在500万颗以上、甚至上亿颗出货量的市场。针对这些大批量的市场，专门开发一颗asic/assp足以摊平前期投入的研发成本。然而，随着芯片制程的提升，研发成本变得愈发昂贵，为小批量的应用开发一颗asic/assp变得越来越不经济，越来越多的客户转向使用fpga。2017年，16/14nm的节点研发成本为1.8亿美元，往往需要每年9亿美元以上的市场才能覆盖这一成本；开发7nm节点需要3.5亿美元，研发成本和市场容量要求翻倍。而fpga可以提供几乎是最先进的节点、大量fpga厂商自研/合作伙伴的免费ip，立刻可用的芯片为用户的产品提供了更快的上市速度。随着越来越多asic方案的用户转为使用fpga进行量产，fpga市场开始快速成长，从1990年的1亿美元增长为2022年的83亿美元。
fpga每一代产品一般从推出开始算起，大概在第4-5年达到收入的巅峰，近60%收入来自于前6年。从在售时间计算，一个fpga的生命周期大概为10-15年，根据altera的数据，销售收入的顶峰一般发生在fpga新品推出后的第4-5年，这是由于fpga有着非常陡峭的降价曲线。xilinx一般在新品推出的第2年后，价格降幅就能达到50%，在第9年的价格相比刚推出时的价格降幅高达90%，而出货量的顶峰一般在第5-6年达到，这一价格和需求曲线的变化规律，使得fpga生命周期中约60%的收入在前6年发生，后9年fpga参与者面对的是量价齐跌的市场。因此，fpga厂商的策略是尽可能参与到前6年的市场份额分配中。
实际上，前2-3年的制程领先对fpga市场竞争格局非常重要。因为即使能在后9年获得高市场份额，fpga厂商得到的收入也非常的少。事实上，量大的客户在前两年就会被领先的玩家锁定，后面新增的客户基本为新转移到更先进代际的客户。因此，如果不能做到前两年内推出新一代制程的产品，基本就会错失这一代产品市场收入最多的阶段。
fpga如何锁定客户？由于最关键的布局布线只能在fpga厂商自己的eda进行，fpga的软硬件形成了极强的绑定。高转换成本令客户非常容易被锁定，进而在整个生命周期形成稳定的需求量。fpga厂商在发布新一代产品的原型开始，就会对客户进行送样测试，客户在数个fpga供应商之间进行选择。一旦完成选型后，fpga厂商就完成了一个“design-win”，这是因为客户需要在fpga上完成自己的电路设计，不会再更换fpga供应商。正如我们系列报告一和前文中解释的，将电路在fpga上实现，最关键的环节是在布局布线。fpga之所以能绑定客户，是因为fpga的布局布线从来只能在对应的fpga厂商自己的eda中完成，使得软硬件形成了极强的绑定。并且，由于不同厂商fpga的细节、eda环境各不相同，转换到另一家fpga厂商是非常困难的。对于越大型的设计，转换的难度更高，一般需要重新走一遍“综合-布局布线”的流程，并伴随着大量的调试工作，而这些新fpga平台的适配工作通常可以耗费近半年时间。因此，如无必要，客户通常不会更换fpga厂商，而是根据自身的量产计划每年重复订购，展现非常强的客户粘性。这使得头部玩家在获客上有非常明显的规模效应，稳定的客户进一步巩固了市占率。
高客户黏性使得fpga头部玩家出现获客成本的规模经济，进一步提升了行业的进入壁垒。同样地，为了减少转换成本，客户会倾向于沿用上一代fpga的供应商，即跨代际的客户黏性也非常强，这使得fpga的头部厂商在获客成本上出现规模经济。随着xilinx的市占率从1990年的19%上升到2003年的50%，其sg&a（销售和管理费用）占收入比例从接近30%下降至20%，在xilinx巩固了市场地位后的20年间，又逐年下降至接近10%的水平。altera同样，sg&a比例从90年代最高的25%下降至2014年的16%，充分说明了头部在获客上的规模优势。
因此，对于fpga厂商来说，竞争策略就是尽可能领先对手推出新一代的产品，在前2年完成尽量多的design-wins，以获得更多被锁定的客户。由于选型的一过程通常持续9-12个月，如果有厂商在新品发布上可以做到领先对手大半年以上的时间，那客户通常只能选择这家厂商的产品进行设计，并在1-2年后量产，领先厂商因此能在早期获得100%的份额。这也是为什么fpga的制程领先往往能够预测2年之后的市场份额。例如，xilinx在2015年9月发布16nm的ultrascale+新品，而竞争对手altera在2016年10月才发布14nm的stratix 10，落后xilinx一年以上的时间，这使得2017年6月时，xilinx在新一代产品的市场份额达到了100%。
在获得强劲的design-wins之后，fpga厂商凭借hvm（high-volume manufacture）阶段的大量订单迅速降低成本，并进一步开启激进的降价，以阻止落后竞争者的进入。在客户完成选型后，便开始自己的系统设计，完成最终的下游客户送样之后，就开始向fpga厂商下大批量生产的订单，一般客户会在2年内完成选型到系统设计。一旦开启hvm阶段，fpga厂商可以迅速摊平前期投入的包括nre、软件研发等的固定成本，并开始激进地降价。例如，xilinx新品推出后每年降价30%，两年累计降价50%。因此，制程落后2年以上的fpga厂商，往往面临着非常强的进入壁垒。我们测算，即使在第5年开始每年获得市场上15%的需求量，在整个历史周期获得的累计收入也仅有整体市场的6%，往往不足以支撑下一代新品的研发。而龙头可以获得这一代fpga在整个生命周期中59%的收入，足够用于下一代产品的研发。换句话说，落后厂商会愈发落后，龙头在新一代产品的竞争者会越来越少。
这也是为什么历史上许多玩家撑不过5年的原因，落后的厂商无法获得足够的收入投入到下一代产品的高昂的开发中，选择退出。在2-3轮迭代后，市场上其他玩家的比例会大幅减少，市场份额会向头部集中。
除了成本之外，龙头在产品定价上具有明显的溢价。行业龙头之外的玩家的产品普遍出现折价的情况。例如，行业第二名intel/altera的产品布局与xilinx类似，其高、中、低产品线指标与xilinx相近，但在电信、数据中心和a&d三个市场，平均售价均比xilinx低20%以上。而行业第3-4名microchip的产品集中在低价的中低容量领域，因此平均价格比xilinx低80%-90%。
fpga头部厂商毛利率均稳定维持在60%+的高水平区间。1990年以来，xilinx和altera的毛利率基本维持在60%以上，仅2001年因为科网泡沫去库存掉落至50%以下。其中，xilinx专注高性能，但同时成本亦略高，下游来看，xilinx同时拥有高毛利的a&d和低毛利的消费市场；而altera下游集中在通信市场，来自a&d市场的收入占比较低，虽然价格低于xilinx，但专注降低成本。综合考虑下来，二者毛利率差距不大，在5pct以内。lattice虽然是中小容量的fpga，但凭借在低功耗的竞争优势，毛利率也能维持在50%以上，近3年来更是凭借汽车市场的优势和中容量fpga的突破，将毛利率提升至60%+。
fpga龙头在研发上同样具有规模经济。作为龙头，xilinx可以在研发费率正常的情况下，绝对金额与第二名altera每年拉开近1亿美元以上的差距，随着xilinx在03年市占率爬升至50%，这一差距越拉越大。每年在研发上多出来的投入可以用于加强自身的竞争优势，比如更多的技术/架构创新、更完善的eda开发、更快的研发进度等方面，而不必损失盈利能力。
fpga厂商收入曲线的本质是每一代产品收入曲线的叠加，必须每2-3年推出新品，以避免产品周期造成的收入下滑。我们测算，如果fpga公司每2年推出新品，每一代产品价值量是上一代的1.2倍，公司的收入曲线将呈现“台阶状增长”的特征。如果新品推出节奏延缓到每4年一次，在每一代产品价值量依然是上一代的1.2倍，公司的收入会出现阶段性的下滑。因此，fpga等迭代迅速的数字芯片公司，必须每2-3年就要推出更高价值量的新品，以避免收入出现“青黄不接”的情况，龙头xilinx更是每1-2年就推出新品。除了产品周期外，fpga厂商的收入曲线还叠加了当年的宏观经济、个别下游需求、库存水平等因素的影响。例如，1996-1997年、2000-2001年、2007-2009年、2012年、2015年、2018-2019年都有宏观经济下滑背景下半导体行业去库存的情况。
03
fpga厂商之间的竞争，究竟在“拼什么”？
龙头赛灵思如何培育竞争优势？
我们从fpga的客户的视角分析，发现客户对fpga主要有两大诉求：一是为自己的产品获得竞争力的提升，二是降低开发的风险。一般来说，系统的竞争力来自于在性能、功耗、可靠性、上市速度和成本上的综合表现，fpga的客户——工程师在设计其产品时往往是基于以上五个维度思考，并在产品设计上做出自己的权衡。通常来说，更先进代际的fpga能提供更好的性能和功耗表现，能做到更小的芯片或者相同面积下更高的性能，使得自家产品更受消费者的青睐。因此，选择制程领导者是惯例。除此之外，在以上五个维度的表现最贴近自身情况，即产品定义最接近需求的fpga，往往会获得青睐。
第二，工程师会优先选择能持续迭代的产品，需要fpga公司做出产品演进的承诺，以避免发生自己产品迭代时需要更换fpga厂商的情况。更重要是，由于从新品推出到量产往往需要9-12个月，工程师会优先选择那些有可靠量产历史的厂商，以避免出现fpga厂商倒闭，导致的自己产品不能量产的风险。此外，fpga厂商提供的各种软ip对于工程师来说是非常有吸引力的，从eda的ip库中调用fpga厂商的提供的ip，可以极大地节省他们的开发时间和难度，如果fpga厂商提供的ip很少、或者可靠性不高，则是扣分项。
除了产品竞争力以外，工程师的另一大诉求是降低开发风险，他们在选择某一个厂商的fpga时，往往是由于过去在这家厂商的开发体验很好，而换开发环境是每一个工程师竭力避免的。由于各家fpga和eda细节各不相同，在一家fpga厂商能跑通的设计，直接不加调试转移到另一家fpga厂商能跑通的可能性非常低，其中的工作量往往具有高度的不确定性。因此，为了降低开发的成本和风险，如无必要，工程师往往不愿意切换到新的fpga厂商。此外，fpga厂商的技术支持也是非常重要的考虑，在fpga的开发中的时常会遇到各种问题，对于大客户来说往往有充分的fae对接支持，但是fpga更多的是中小客户群体，此时fpga如果有充分的技术文档、或者有完备的开发社区，就能减少大部分开发遇到的问题。 从客户的视角延伸到fpga竞争的关键因素，我们总结为以下六点：客户关系、产品、ip库、软件、制造和运营能力，并在图中逐一回答了赛灵思在这六个因素中如何做到独一无二，即赛灵思是如何培育自己的竞争优势的。 我们认为，赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者。正如我们前文分析，制程是fpga市场份额的最直接竞争因素。除了0.13μm和40nm之外，赛灵思一直是行业内制程领导者的角色，能持续开启“技术领先-订单-成本优势-客户黏性-下一代研发投入”的正向循环；
2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力。在fpga中嵌入固化单元，往往比使用lut、寄存器等万能资源来说，拥有更低的功耗和面积。尽管如此，要嵌入哪些固化单元需要设计者权衡，因为fpga的开发者购买的是整个芯片，他们仍有可能为自己不需要或者不使用的功能付费；另一方面，如果fpga的固化功能太少，其在市场上的竞争力就大为降低，因为客户不得不使用太多的宝贵的可编程逻辑资源，去实现本来应该固化的功能，功耗和时延均大幅增加。这都需要fpga公司有非常好的客户的沟通。因此，早在1998年，赛灵思就区分了高端和低容量的市场，针对低容量市场推出了低成本的spartan，面向那些需要fpga的灵活性和高并行性，但又不需要通信市场一样需要收发器等高性能的硬核的场景。而00年altera专注于推出最高性能的excalibur，并没有重视低容量市场，直到excalibur失败后，2002年altera才效仿赛灵思推出高端的stratix和低成本的cyclone。除了产品，赛灵思在98年第一个在virtex上实现了fpga的远程升级功能，只需要简单地将编程文件发送到联网的设备中，就可以使其符合不断变化的通信标准，不需要工程师走到基站一个个升级软件，而这一点是当时很多asic所没办法做到的。这一远程重配置功能的加入为客户节省了大量的时间和金钱的成本，使得virtex在通信市场大受欢迎，推动xilinx的市场份额从98年的30%提升至03年的50%。 altera历史上在excalibur的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。在fpga上嵌入处理器硬核，早在2000年就有过尝试。在0.18/0.15μm节点中，altera为了和赛灵思在性能上竞争，将arm9嵌入到了其最新的sopc fpga excalibur中，成为业内首个将处理器嵌入到fpga的厂商。然而，刚刚经历科网泡沫的客户将功耗提升到了和性能同等重要的位置，不愿意为过高性能的fpga付费，对fpga需求仍然在灵活性上，使得altera在0.18/0.15μm的fpga市场份额陡降至仅有20%，而此前赛灵思和altera一直都维持在6-4分成的局面。altera之后吸取了教训，在嵌入固化单元时进行了非常小心的考虑，不再一味强调产品的性能，而是强调了解客户需求，并在2002年推出了针对高端市场的stratix和中低容量的cyclone，在0.13μm/90nm市占率反超赛灵思。然而， xilinx在fpga全市场的市占率已经和altera拉开了明显差距。1999年，xilinx和altera市占率分别为35%和33%，相当接近；在2000-2002年，xilinx凭借高性能的virtex在业内树立了技术领导者的地位，以及低成本的spartan迅速扩大客户群和出货量，市占率迅速爬升，在2002年达到了49%，而altera市占率降低到了31%，基本错失了最佳的追赶期。
3）生态的培养效果最好。赛灵思有着所有fpga厂商中最完备的文档说明，这一点对于中小客户来说非常有吸引力，因为他们通常没有大客户拥有的fae支持。在用户群体培养中，在高校中fpga教学中几乎都会以赛灵思为例，工程师的基础最好。在ip库中，赛灵思拥有最完整的ip库，910个ip中，近60%是自研ip，用户可以直接调用，不需要自己重新研发，而altera约为278个，选择范围远小于xilinx。除此之外，xilinx在多个维度上有非常强的综合表现，包括eda的迭代速度、易用性等。
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fpga是一个高度集中的市场，龙头赛灵思占据过半份额，前4名玩家合计份额90%+。凭借高进入壁垒，清晰且确定的竞争格局，美股fpga厂商的估值在同类数字芯片公司中均位居前列。此外，龙头赛灵思在快速增长的市场，维持了近20年50%+的市场份额，以及较高的roic水平，足以说明其极强的竞争优势。 我们在系列报告一《fpga给用户提供了什么价值？》中，阐述了fpga的价值在于高灵活的特性和高并行的架构，我们亦提到了fpga竞争的关键点在于：制程领先、产品定义、架构创新以及eda工具的易用性。
在本篇系列报告四中，我们将阐述fpga清晰的竞争格局背后的原因，通过对fpga全球三大公司xilinx、altera和lattice的发展历史进行了详尽的复盘，系统地回答这些问题：fpga商业模式的本质是什么？fpga厂商自身的价值在哪里？为什么龙头能有这么强的护城河？ 我们认为，fpga的商业模式的本质是，用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性，龙头之所以能有强的垄断性份额，是因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者；2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力；3）生态的培养效果最好。
复盘1990-2022年fpga竞争格局演变，我们发现了什么？制程竞争是贯穿fpga整个发展历史的竞争主线，制程领先是fpga市场份额最直接的决定因素。除此之外，在fpga发展的不同阶段，有着不同的阶段竞争主线，实质是fpga不同阶段的性能突破点：门级数竞争是fpga厂商第一阶段的竞争主线（1984-2000），fpga不断提升自身容量以获得替代asic的市场，门级数领先者往往获得大部分市场份额。集成度竞争是fpga厂商第二阶段的竞争主线 （2000-2010），将板上分立的dsp等器件纳入到fpga，背后是减少电路面积、降低功耗和系统成本的需求，先推出高集成度fpga的厂商获得了更多的替代dsp等竞争产品的份额。异构化竞争是fpga目前的竞争主线 （2010-今），fpga厂商竞相推出soc fpga，通过将板上的cpu等处理器嵌入到fpga中，使得soc既具备cpu的灵活性，又具备fpga的高并行计算能力，进一步提升系统性能、减少板上面积和功耗，不断并获得来自嵌入式处理的市场。
fpga商业模式的本质？用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性，这些小批量应用累积起来的出货量足以支撑fpga的制程不断升级。fpga是高度标准化的芯片，通过改变fpga中lut4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。随着芯片制程的提升，研发成本变得愈发昂贵，为小批量的应用开发一颗asic/assp变得越来越不经济，越来越多的客户转向使用fpga。 为什么龙头能有这么强的护城河？因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。
fpga如何锁定客户？由于最关键的布局布线只能在fpga厂商自己的eda中进行，使得fpga的软硬件形成极强的绑定。如无必要，客户通常不会更换fpga厂商，而是根据自身的量产计划每年重复订购，展现非常强的客户粘性。同样地，为了减少转换成本，客户会倾向于沿用上一代fpga的供应商，跨代际的客户黏性也非常强。
如何理解fpga的规模经济？
价格上，fpga有着非常陡峭的降价曲线；需求上，出货量的顶峰一般在第5-6年达到，这使得fpga生命周期中约60%的收入在前6年发生，后9年fpga参与者通常面对的是量价齐跌的市场。由于量大的客户在前两年就会被领先的玩家锁定，如果不能做到前两年内推出新一代制程的产品，基本就会错失这一代产品市场收入最多的阶段。因此，对于fpga厂商来说，竞争策略就是尽可能领先对手推出新一代的产品，在前2年完成尽量多的design-wins，以获得更多被锁定的客户。在获得强劲的design-wins之后，fpga厂商凭借hvm（high-volume manufacture）阶段的大量订单迅速降低成本，并进一步开启激进的降价，以阻止落后的竞争者进入。由于fpga的eda和硬件强绑定的特性，客户转换成本极高，fpga的头部厂商在获客成本上出现规模经济，高的在位优势进一步提升了行业的进入壁垒。在2-3轮制程迭代后，落后的厂商愈发无法获得足够的收入以投入到下一代产品的开发，选择退出，市场上其他玩家的比例会大幅减少，市场份额会向头部集中，清晰的格局使得fpga头部厂商的毛利率均稳定维持在60%+的高水平区间。fpga龙头在研发上同样具有规模经济。此外，fpga厂商收入曲线的本质是每一代产品收入曲线的叠加，必须每2-3年推出新品，以避免产品周期造成的收入下滑。
我们从fpga的客户的视角分析，发现客户对fpga主要有两大诉求：一是为自己的产品获得竞争力的提升，二是降低开发的风险。从客户的视角延伸到fpga竞争的关键因素，我们总结为以下六点：客户关系、产品、ip库、软件、制造和运营能力。 我们认为，赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者。 2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力。 3）生态的培养效果最好。
风险提示:下游需求不及预期，中美贸易摩擦加剧。
我们在系列报告一《fpga给用户提供了什么价值？》阐述了fpga的价值在于高灵活性及高并行超低时延的计算能力，我们亦提到了fpga竞争的关键点在于：制程领先、产品定义、架构创新以及eda工具的易用性。在本篇系列报告四中，我们将系统地回答这些问题：fpga厂商自身的价值在哪里？fpga厂商的竞争究竟在拼什么？龙头赛灵思是如何培育竞争优势的？ fpga是一个高度集中的市场，龙头赛灵思占据过半份额，前4名玩家合计份额90%+。根据marketsandmarkets数据及我们估算，2022年，fpga龙头赛灵思全球市场占有率为50%，与第二名英特尔（收购altera）的25%拉开了明显差距，而作为行业第三、第四名的lattice和microchip（收购microsemi）市场份额接近，均不超过10%。行业呈现高度集中态势，cr4超过90%，且均为美国公司。其中，龙头赛灵思在2003年市占率超过50%，在随后20年间，基本保持在50%以上。
龙头赛灵思维持了近20年的50%+的市场份额，以及较高的roic水平，足以说明其极强的竞争优势。赛灵思自1984年发明fpga以来，市场份额从1990年的18%一路爬升到2003年的50%，并在随后20年间基本维持在50%上下，而在1990-2019近30年间，fpga市场复合增长率为14%，一直保持着较高速度的增长。赛灵思在03年后的roic一直维持在15%上下的较高水平，并在2018-2019年爬升至20%+。在一个快速成长的行业中，龙头能在15%+的roic水平维持近20年的50%的市场份额，足以说明fpga龙头有着非常强的竞争优势。
美股fpga公司高估值的原因？高进入壁垒，清晰且确定的竞争格局。fpga虽然是一个不大不小的市场（2022全球83亿美元），但凭借高进入壁垒，以及确定且清晰的竞争格局，使得美股fpga厂商的估值在同类数字芯片公司中均位居前列。
01
复盘1990-2022年fpga的
竞争格局演变，我们发现了什么？
制程竞争是贯穿fpga发展历史的竞争主线，制程领先是fpga市场份额最直接的决定因素。fpga的通用性使其走线和面积比起asic来说不是最优。因此，fpga必须在制程上做到领先asic或者assp数代，以带来更有竞争力的性能表现，这使得fpga对制程的追逐是必然的选择。此外，fpga从新品发布到量产阶段中间存在客户导入环节，在这期间客户评估不同厂商新推出的fpga，最后确定一家在后续量产的产品中使用，并在上面完成自己的电路设计，即一个design-win，这一过程通常需要9-12个月。由于开发环境、产品架构等各不相同，一旦确定了之后，用户转移到另一家fpga是非常困难和费时的。这种高绑定的特点，造就了fpga非常强的壁垒，使得最先推出的玩家往往能赢得大部分市场份额。一般来说，在最新制程的design-wins能预测2-3年后在fpga市场的份额，而且能在下一轮制程竞争中享有一定的在位优势，因为客户通常不会轻易更换供应商。fpga龙头赛灵思历史上是制程领导者，市场份额从2003年后便维持在50%的水平，除了altera能跟上赛灵思的节奏，行业其他玩家均落后龙头2-3个代际。
除了贯穿整个历史的制程竞争外，在fpga发展的不同阶段，有着不同的阶段竞争主线，实质是fpga不同阶段的性能和技术突破点： 门级数竞争是fpga厂商第一阶段的竞争主线（1984-2000）。替代asic的背后是性能提升的需求，门级数领先者往往获得大部分市场份额。90年代，复杂的电子系统要求百万门级的规模，大多使用标准单元和门阵列实现。90年代初，fpga的容量只有20-50万门，尽管脱离了胶合逻辑的市场，但仍无法进入更高端的asic市场。鉴于此，在整个90年代，fpga厂商纷纷在门级数上展开竞争，谁先把更高密度的产品做出来，谁就能先吃掉替代asic市场的蛋糕。通过lut输入数量、簇结构、互联形式等的架构改善，辅之以摩尔定律的推动，fpga的密度和速度得以飞速提升。fpga厂商一旦把更高密度的产品做出来，低密度就开始大幅降价，落后的厂商不断被淘汰。在激烈的门级数竞争中，xilinx和altera先后在1998-1999年跨越100万门的限制，开始加速替代门阵列、标准单元和asic，市占率得到持续的提升。
此阶段，fpga竞争者之间开展激烈的专利战，以捍卫自身在高密度架构和eda上竞争优势。例如，altera作为cpld的发明者，1992年通过推出flex进入fpga市场，xilinx在1993年便开始与altera开展了长达8年的专利战，双方互诉对方产品侵权，并不断将对方包括cpld在内的新品加入侵权列表，最后在01年以近似和解结束——altera向xilinx 支付了2000万美元，并互相进行专利交叉互换，承诺5年内不向对方提起专利诉讼。1999年，altera还与clear logic开展诉讼，指控对方利用altera的eda软件为客户进行pin-to-pin的fpga到asic的转换，最后使得clear logic在2002年退出市场。
集成度竞争是fpga厂商第二阶段的竞争主线（2000-2010）。将板上分立的dsp等器件纳入到fpga，背后是减少电路面积、降低功耗和系统成本的需求，先推出高集成度fpga的厂商获得了更多的替代dsp等竞争产品的份额。90年代中期，fpga厂商发现用户在使用fpga时，会频繁将lut作为存储使用（即“软”实现），占用了许多逻辑单元，导致fpga容量出现不够的情况。因此，ram是第一个被固化到fpga中的单元。将这些用户频繁使用到的功能固化到fpga中，可以极大地提升计算效率，用户也不需要为浪费宝贵的逻辑资源而烦恼，而且可以减少板上的走线、管脚和焊盘，进而减少pcb板的面积和功耗。例如，将dsp嵌入到fpga中（而不是通过万能的lut+寄存器实现），可以节省80%的功耗和分立的dsp在板上占用的面积。因此，在90年代末完成门级数的超越后，fpga厂商的竞争主线从门级数转向集成度竞争，先后将原本属于板上的ram、dsp、收发器等单元嵌入到fpga中，以降低客户的功耗和总系统成本，并进一步蚕食板上其它分立器件的市场。altera的flex 10k是第一个嵌入了ram 的fpga，xilinx在00年通过收购rocketchip拥有了高速收发器能力，并在02年3月发布的virtex ii pro中嵌入了收发器。
然而，并不是一个fpga上集成了越多固化单元就越好，除了最高端的客户，许多客户往往只需要特定方向上的固化单元集成。因此，fpga厂商开始将产品线分化，xilinx推出了高端的virtex和低成本的spartan两条线，virtex针对复杂的通信设备市场，spartan和cpld coolrunner针对消费电子市场。其中，virtex还区分了多个产品系列，比如virtex 4中，lx是最高端的fpga，针对大型的高密度通信应用，而sx系列上嵌入了丰富的dsp资源，用于替代分立的dsp器件，fx加入了高速串行连接。altera也在02年推出了高端的stratix和低成本的cyclone，stratix还分化了一个包含高速收发器的stratix gx系列。可见，集成度竞争的背后是产品定义的竞争，反映了fpga厂商和客户沟通和需求把握能力。
异构化竞争是fpga厂商目前的竞争主线 （2010-今）。fpga厂商竞相推出soc fpga，通过将板上的cpu等处理器嵌入到fpga中，不断获得来自嵌入式处理的市场。因为走线从pcb转移到片内，处理时延更短，因此整体性能更高，并进一步减少板上的面积、降低功耗，使得soc既具备cpu的灵活性，又具备fpga的高并行计算能力。例如，xilinx的rfsoc嵌入了arm+4片adc+4片dac+1片kintex ultrascale+ fpga，相比分立的方案面积减少了50%，功耗降低30%-40%，成本降低40%-60%，时延比jesd204降低80%-90%。 自从2010年xilinx推出zynq 7000开始，fpga进入了异构竞争的时代，进一步抢占原来使用分立的fpga+cpu方案的市场。在xilinx的zynq系列中，pl（fpga）与ps（arm cpu）之间通过axi总线通信。xilinx在后续推出了针对高清视频处理的zynq mpsoc，以及针对无线通信的rfsoc。目前xilinx的zynq系列soc fpga在工业、多媒体处理、通信、医疗有非常广泛的采用，最新的系列是在18年开始陆续推出的7nm acap versal家族，在fpga基础上嵌入了cpu和xilinx的ai引擎，单元之间通过高速noc相连。altera/intel同样，自2011年开始陆续推出了cyclone、arria、stratix和agilex的soc fpga，覆盖低成本、性价比和高端场景。
02
fpga商业模式的本质
以及龙头竞争优势的来源？
在这里我们将深入为大家解答：fpga商业模式的本质是什么？为什么龙头能有这么强的护城河？我们认为，fpga的商业模式的本质是，用高标准化的芯片覆盖长尾市场以产生经济性；龙头之所以能有强的垄断性份额，是因为其在一种客户锁定下的规模经济下运作，使得龙头可以在多轮迭代中不断积累自身优势，侵蚀其他玩家的份额，在这一过程中，落后的厂商不断被淘汰，而行业的进入壁垒在不断地提高。 fpga商业模式的本质是用高标准化的芯片覆盖长尾市场，以产生经济性，这些小批量应用累积起来的出货量足以支撑fpga的制程不断升级。正如我们系列报告一提到的，fpga是高度标准化的芯片，通过改变fpga中lut4里面的16位掩码，就能灵活地对应不同的组合电路，再结合寄存器，可以完成时序电路的功能，从而实现任意电路的“可编程”。这一硬件可编程的特性，使得同一片fpga既可以在5g的基站中实现信道编码的功能，也可以在重新配置后放在数控机床中实现电机控制的功能。因此，fpga又被称作“万能”芯片，可以用于实施任何电路设计。而asic/assp面向的是特定方向的大批量应用，诸如手机、pc、tv、机顶盒等的每年在500万颗以上、甚至上亿颗出货量的市场。针对这些大批量的市场，专门开发一颗asic/assp足以摊平前期投入的研发成本。然而，随着芯片制程的提升，研发成本变得愈发昂贵，为小批量的应用开发一颗asic/assp变得越来越不经济，越来越多的客户转向使用fpga。2017年，16/14nm的节点研发成本为1.8亿美元，往往需要每年9亿美元以上的市场才能覆盖这一成本；开发7nm节点需要3.5亿美元，研发成本和市场容量要求翻倍。而fpga可以提供几乎是最先进的节点、大量fpga厂商自研/合作伙伴的免费ip，立刻可用的芯片为用户的产品提供了更快的上市速度。随着越来越多asic方案的用户转为使用fpga进行量产，fpga市场开始快速成长，从1990年的1亿美元增长为2022年的83亿美元。
fpga每一代产品一般从推出开始算起，大概在第4-5年达到收入的巅峰，近60%收入来自于前6年。从在售时间计算，一个fpga的生命周期大概为10-15年，根据altera的数据，销售收入的顶峰一般发生在fpga新品推出后的第4-5年，这是由于fpga有着非常陡峭的降价曲线。xilinx一般在新品推出的第2年后，价格降幅就能达到50%，在第9年的价格相比刚推出时的价格降幅高达90%，而出货量的顶峰一般在第5-6年达到，这一价格和需求曲线的变化规律，使得fpga生命周期中约60%的收入在前6年发生，后9年fpga参与者面对的是量价齐跌的市场。因此，fpga厂商的策略是尽可能参与到前6年的市场份额分配中。
实际上，前2-3年的制程领先对fpga市场竞争格局非常重要。因为即使能在后9年获得高市场份额，fpga厂商得到的收入也非常的少。事实上，量大的客户在前两年就会被领先的玩家锁定，后面新增的客户基本为新转移到更先进代际的客户。因此，如果不能做到前两年内推出新一代制程的产品，基本就会错失这一代产品市场收入最多的阶段。
fpga如何锁定客户？由于最关键的布局布线只能在fpga厂商自己的eda进行，fpga的软硬件形成了极强的绑定。高转换成本令客户非常容易被锁定，进而在整个生命周期形成稳定的需求量。fpga厂商在发布新一代产品的原型开始，就会对客户进行送样测试，客户在数个fpga供应商之间进行选择。一旦完成选型后，fpga厂商就完成了一个“design-win”，这是因为客户需要在fpga上完成自己的电路设计，不会再更换fpga供应商。正如我们系列报告一和前文中解释的，将电路在fpga上实现，最关键的环节是在布局布线。fpga之所以能绑定客户，是因为fpga的布局布线从来只能在对应的fpga厂商自己的eda中完成，使得软硬件形成了极强的绑定。并且，由于不同厂商fpga的细节、eda环境各不相同，转换到另一家fpga厂商是非常困难的。对于越大型的设计，转换的难度更高，一般需要重新走一遍“综合-布局布线”的流程，并伴随着大量的调试工作，而这些新fpga平台的适配工作通常可以耗费近半年时间。因此，如无必要，客户通常不会更换fpga厂商，而是根据自身的量产计划每年重复订购，展现非常强的客户粘性。这使得头部玩家在获客上有非常明显的规模效应，稳定的客户进一步巩固了市占率。
高客户黏性使得fpga头部玩家出现获客成本的规模经济，进一步提升了行业的进入壁垒。同样地，为了减少转换成本，客户会倾向于沿用上一代fpga的供应商，即跨代际的客户黏性也非常强，这使得fpga的头部厂商在获客成本上出现规模经济。随着xilinx的市占率从1990年的19%上升到2003年的50%，其sg&a（销售和管理费用）占收入比例从接近30%下降至20%，在xilinx巩固了市场地位后的20年间，又逐年下降至接近10%的水平。altera同样，sg&a比例从90年代最高的25%下降至2014年的16%，充分说明了头部在获客上的规模优势。
因此，对于fpga厂商来说，竞争策略就是尽可能领先对手推出新一代的产品，在前2年完成尽量多的design-wins，以获得更多被锁定的客户。由于选型的一过程通常持续9-12个月，如果有厂商在新品发布上可以做到领先对手大半年以上的时间，那客户通常只能选择这家厂商的产品进行设计，并在1-2年后量产，领先厂商因此能在早期获得100%的份额。这也是为什么fpga的制程领先往往能够预测2年之后的市场份额。例如，xilinx在2015年9月发布16nm的ultrascale+新品，而竞争对手altera在2016年10月才发布14nm的stratix 10，落后xilinx一年以上的时间，这使得2017年6月时，xilinx在新一代产品的市场份额达到了100%。
在获得强劲的design-wins之后，fpga厂商凭借hvm（high-volume manufacture）阶段的大量订单迅速降低成本，并进一步开启激进的降价，以阻止落后竞争者的进入。在客户完成选型后，便开始自己的系统设计，完成最终的下游客户送样之后，就开始向fpga厂商下大批量生产的订单，一般客户会在2年内完成选型到系统设计。一旦开启hvm阶段，fpga厂商可以迅速摊平前期投入的包括nre、软件研发等的固定成本，并开始激进地降价。例如，xilinx新品推出后每年降价30%，两年累计降价50%。因此，制程落后2年以上的fpga厂商，往往面临着非常强的进入壁垒。我们测算，即使在第5年开始每年获得市场上15%的需求量，在整个历史周期获得的累计收入也仅有整体市场的6%，往往不足以支撑下一代新品的研发。而龙头可以获得这一代fpga在整个生命周期中59%的收入，足够用于下一代产品的研发。换句话说，落后厂商会愈发落后，龙头在新一代产品的竞争者会越来越少。
这也是为什么历史上许多玩家撑不过5年的原因，落后的厂商无法获得足够的收入投入到下一代产品的高昂的开发中，选择退出。在2-3轮迭代后，市场上其他玩家的比例会大幅减少，市场份额会向头部集中。
除了成本之外，龙头在产品定价上具有明显的溢价。行业龙头之外的玩家的产品普遍出现折价的情况。例如，行业第二名intel/altera的产品布局与xilinx类似，其高、中、低产品线指标与xilinx相近，但在电信、数据中心和a&d三个市场，平均售价均比xilinx低20%以上。而行业第3-4名microchip的产品集中在低价的中低容量领域，因此平均价格比xilinx低80%-90%。
fpga头部厂商毛利率均稳定维持在60%+的高水平区间。1990年以来，xilinx和altera的毛利率基本维持在60%以上，仅2001年因为科网泡沫去库存掉落至50%以下。其中，xilinx专注高性能，但同时成本亦略高，下游来看，xilinx同时拥有高毛利的a&d和低毛利的消费市场；而altera下游集中在通信市场，来自a&d市场的收入占比较低，虽然价格低于xilinx，但专注降低成本。综合考虑下来，二者毛利率差距不大，在5pct以内。lattice虽然是中小容量的fpga，但凭借在低功耗的竞争优势，毛利率也能维持在50%以上，近3年来更是凭借汽车市场的优势和中容量fpga的突破，将毛利率提升至60%+。
fpga龙头在研发上同样具有规模经济。作为龙头，xilinx可以在研发费率正常的情况下，绝对金额与第二名altera每年拉开近1亿美元以上的差距，随着xilinx在03年市占率爬升至50%，这一差距越拉越大。每年在研发上多出来的投入可以用于加强自身的竞争优势，比如更多的技术/架构创新、更完善的eda开发、更快的研发进度等方面，而不必损失盈利能力。
fpga厂商收入曲线的本质是每一代产品收入曲线的叠加，必须每2-3年推出新品，以避免产品周期造成的收入下滑。我们测算，如果fpga公司每2年推出新品，每一代产品价值量是上一代的1.2倍，公司的收入曲线将呈现“台阶状增长”的特征。如果新品推出节奏延缓到每4年一次，在每一代产品价值量依然是上一代的1.2倍，公司的收入会出现阶段性的下滑。因此，fpga等迭代迅速的数字芯片公司，必须每2-3年就要推出更高价值量的新品，以避免收入出现“青黄不接”的情况，龙头xilinx更是每1-2年就推出新品。除了产品周期外，fpga厂商的收入曲线还叠加了当年的宏观经济、个别下游需求、库存水平等因素的影响。例如，1996-1997年、2000-2001年、2007-2009年、2012年、2015年、2018-2019年都有宏观经济下滑背景下半导体行业去库存的情况。
03
fpga厂商之间的竞争，究竟在“拼什么”？
龙头赛灵思如何培育竞争优势？
我们从fpga的客户的视角分析，发现客户对fpga主要有两大诉求：一是为自己的产品获得竞争力的提升，二是降低开发的风险。一般来说，系统的竞争力来自于在性能、功耗、可靠性、上市速度和成本上的综合表现，fpga的客户——工程师在设计其产品时往往是基于以上五个维度思考，并在产品设计上做出自己的权衡。通常来说，更先进代际的fpga能提供更好的性能和功耗表现，能做到更小的芯片或者相同面积下更高的性能，使得自家产品更受消费者的青睐。因此，选择制程领导者是惯例。除此之外，在以上五个维度的表现最贴近自身情况，即产品定义最接近需求的fpga，往往会获得青睐。
第二，工程师会优先选择能持续迭代的产品，需要fpga公司做出产品演进的承诺，以避免发生自己产品迭代时需要更换fpga厂商的情况。更重要是，由于从新品推出到量产往往需要9-12个月，工程师会优先选择那些有可靠量产历史的厂商，以避免出现fpga厂商倒闭，导致的自己产品不能量产的风险。此外，fpga厂商提供的各种软ip对于工程师来说是非常有吸引力的，从eda的ip库中调用fpga厂商的提供的ip，可以极大地节省他们的开发时间和难度，如果fpga厂商提供的ip很少、或者可靠性不高，则是扣分项。
除了产品竞争力以外，工程师的另一大诉求是降低开发风险，他们在选择某一个厂商的fpga时，往往是由于过去在这家厂商的开发体验很好，而换开发环境是每一个工程师竭力避免的。由于各家fpga和eda细节各不相同，在一家fpga厂商能跑通的设计，直接不加调试转移到另一家fpga厂商能跑通的可能性非常低，其中的工作量往往具有高度的不确定性。因此，为了降低开发的成本和风险，如无必要，工程师往往不愿意切换到新的fpga厂商。此外，fpga厂商的技术支持也是非常重要的考虑，在fpga的开发中的时常会遇到各种问题，对于大客户来说往往有充分的fae对接支持，但是fpga更多的是中小客户群体，此时fpga如果有充分的技术文档、或者有完备的开发社区，就能减少大部分开发遇到的问题。 从客户的视角延伸到fpga竞争的关键因素，我们总结为以下六点：客户关系、产品、ip库、软件、制造和运营能力，并在图中逐一回答了赛灵思在这六个因素中如何做到独一无二，即赛灵思是如何培育自己的竞争优势的。 我们认为，赛灵思成为龙头的原因在于：1）制程领导者。正如我们前文分析，制程是fpga市场份额的最直接竞争因素。除了0.13μm和40nm之外，赛灵思一直是行业内制程领导者的角色，能持续开启“技术领先-订单-成本优势-客户黏性-下一代研发投入”的正向循环；
2）对客户的需求把握最好，优秀的竞争策略制定和执行能力。在fpga中嵌入固化单元，往往比使用lut、寄存器等万能资源来说，拥有更低的功耗和面积。尽管如此，要嵌入哪些固化单元需要设计者权衡，因为fpga的开发者购买的是整个芯片，他们仍有可能为自己不需要或者不使用的功能付费；另一方面，如果fpga的固化功能太少，其在市场上的竞争力就大为降低，因为客户不得不使用太多的宝贵的可编程逻辑资源，去实现本来应该固化的功能，功耗和时延均大幅增加。这都需要fpga公司有非常好的客户的沟通。因此，早在1998年，赛灵思就区分了高端和低容量的市场，针对低容量市场推出了低成本的spartan，面向那些需要fpga的灵活性和高并行性，但又不需要通信市场一样需要收发器等高性能的硬核的场景。而00年altera专注于推出最高性能的excalibur，并没有重视低容量市场，直到excalibur失败后，2002年altera才效仿赛灵思推出高端的stratix和低成本的cyclone。除了产品，赛灵思在98年第一个在virtex上实现了fpga的远程升级功能，只需要简单地将编程文件发送到联网的设备中，就可以使其符合不断变化的通信标准，不需要工程师走到基站一个个升级软件，而这一点是当时很多asic所没办法做到的。这一远程重配置功能的加入为客户节省了大量的时间和金钱的成本，使得virtex在通信市场大受欢迎，推动xilinx的市场份额从98年的30%提升至03年的50%。 altera历史上在excalibur的失败，说明了产品定义和需求匹配的重要性。在fpga上嵌入处理器硬核，早在2000年就有过尝试。在0.18/0.15μm节点中，altera为了和赛灵思在性能上竞争，将arm9嵌入到了其最新的sopc fpga excalibur中，成为业内首个将处理器嵌入到fpga的厂商。然而，刚刚经历科网泡沫的客户将功耗提升到了和性能同等重要的位置，不愿意为过高性能的fpga付费，对fpga需求仍然在灵活性上，使得altera在0.18/0.15μm的fpga市场份额陡降至仅有20%，而此前赛灵思和altera一直都维持在6-4分成的局面。altera之后吸取了教训，在嵌入固化单元时进行了非常小心的考虑，不再一味强调产品的性能，而是强调了解客户需求，并在2002年推出了针对高端市场的stratix和中低容量的cyclone，在0.13μm/90nm市占率反超赛灵思。然而， xilinx在fpga全市场的市占率已经和altera拉开了明显差距。1999年，xilinx和altera市占率分别为35%和33%，相当接近；在2000-2002年，xilinx凭借高性能的virtex在业内树立了技术领导者的地位，以及低成本的spartan迅速扩大客户群和出货量，市占率迅速爬升，在2002年达到了49%，而altera市占率降低到了31%，基本错失了最佳的追赶期。
3）生态的培养效果最好。赛灵思有着所有fpga厂商中最完备的文档说明，这一点对于中小客户来说非常有吸引力，因为他们通常没有大客户拥有的fae支持。在用户群体培养中，在高校中fpga教学中几乎都会以赛灵思为例，工程师的基础最好。在ip库中，赛灵思拥有最完整的ip库，910个ip中，近60%是自研ip，用户可以直接调用，不需要自己重新研发，而altera约为278个，选择范围远小于xilinx。除此之外，xilinx在多个维度上有非常强的综合表现，包括eda的迭代速度、易用性等。
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