可编程逻辑是半导体产业中发展最快的领域

2008-09-16 19:39:12来源: 电子工程世界

专访Actel 公司产品市场拓展高级经理 Hezi Saar

电子工程世界在集成电路行业Actel如何看待今后的发展趋势?

Hezi Saar:针对 FPGA市场,我们看到一些主要发展趋势都与功率相关,人们对中子诱发的错误关注日益增多,尤其在汽车电子领域,但在工业和商用领域也不例外;采用可实现系统管理功能的高度灵活的集成解决方案需求上升。

功率
     系统设计人员越来越重视功耗问题。原因之一是系统整体功耗现在要受制于各种更严格的功率限制规定、技术指标和标准。功率预算的多少关系到应用的寿命长短、产品的可靠性及是否能满足各种标准的问题,这类似于敲定材料清单 (BOM)。同时,采用电池供电的应用 (如无线掌上型设备和多媒体播放器) 的增长刺激了低功耗半导体的需求,而且这个趋势将继续推动半导体向毫微安级器件发展。低功耗FPGA市场是一个刚开始展露潜力的庞大市场。

     对于下一代设计来说,功耗预算一般都会有减无增,而设计需求中的功能却会越来越多,要求的处理能力越来越高。此外,不断减小制程尺寸的摩尔定律效应及晶体管的大漏电流引起的静态损耗的副作用,都造成市场期望与半导体技术背道而驰。随着产品寿命周期越来越短,市场竞争越来越激烈,开发周期对产品的成功越来越重要,可编程的半导体平台因此成为人们优先选择的解决方案。使用可编程方案开发和赢利最容易,速度最快,但这些开发平台应能满足所有其它设计要求,如成本、性能、尺寸、安全性,以及尤为重要的功耗。

中子诱发错误
     在今天的汽车中,组件可靠性数据是必需的,以便确保各种系统的正确运作。传统上,汽车开发人员依赖微控制器、ASIC和体积庞大的线束来实施和控制这些系统,并扩展每一代汽车的功能。今天,这些解决方案正在接近其技术极限,而且,随着复杂性呈指数级增长,带来了更多的可靠性问题。为了解决这些问题,许多设计人员转向FPGA,将其作为下一代汽车电子设计的灵活的低成本解决方案。

     技术决策人员开始预测将来会影响系统失效的诱因。中子诱发的固件错误对许多电子设备的可靠性来说都是一个重大风险。举例说,如果中子导致以SRAM为基础的FPGA的配置单元被扰乱,就可能使到FPGA的配置数据丢失。如果出现这种情况,就会造成主系统故障。中子诱发的固件错误已经从一个困扰变为重大的问题。这个问题以后将更为严重,因为将来的FPGA会采用深亚微米制造制程,这将为汽车电子的设计人员带来重大挑战。

     对于采用以SRAM为基础FPGA实现的汽车电子应用来说,中子诱发的固件错误存在严重的潜在隐患。由于现有的检测技术是通过每隔一段时间读回FPGA配置来实现检测,可能导致被破坏的数据进入系统。随着这种易受攻击的FPGA技术的广泛使用,有可能需要一种能够检查汽车电子系统对中子诱发的固件错误免疫能力的全新质量评价体系。检测被破坏的配置数据的读回电路本身也易受SEU的影响或损坏。此外,目前用于检测和纠正FPGA固件错误的方案会增加系统设计的复杂性,并会大幅增加板卡尺寸和材料成本。

     中子诱发的固件错误会显着影响整个系统的FIT指标。软错误和固件错误难于检测和诊断,会带来维护和服务方面的问题,有可能造成费用攀升。在三种主流FPGA技术 (反熔丝、Flash和SRAM) 之中,只有反熔丝和Flash能抵御中子诱发的软错误和固件错误的影响,最适合那些重视可靠性的应用。

     现在,工程师逐渐发现,如果从Actel这种长期提供面向关键性任务产品,且致力于提供用于极端环境条件的高性能和高可靠性产品的厂家选择FPGA器件,就会获得很大的优势。

系统和功率管理
     几乎所有的电子设备都需要系统和功率管理功能。这些功能包括:功率和热管理、电压监视、数据记录和系统诊断。当设计人员正在寻找既能降低系统成本同时又能提高可靠性的系统管理解决方案时,Actel推出了Fusion PSC,集成了各种系统管理功能,并提供可编程的灵活性,并将所有功能在一块单芯片中实现,而其它设计可能需要数百个组件才能实现。因此,较之于目前的实现方案,Fusion PSC可使设计的成本和板卡占位空间降低50%。

电子工程世界:您如何评价FPGA市场目前以及今后的发展状况?

Hezi Saar:根据半导体行业协会 (Semiconductor Industry Association) 市场分析,可编程逻辑现在是半导体产业中发展最快的领域。自2002年以来,FPGA产业已经有了巨大的增长,尤其是在所谓的“非传统”FPGA领域,如消费电子、工业控制和汽车电子。

     针对不同的行业和应用,随着产品的使用周期不断缩短,竞争日益激烈,加上上市时间对产品成功与否的决定性影响,可编程半导体平台已成为当前的首选解决方案。

     在Actel,我们相信利用可编程解决方案来入市创收是最容易最快速的方法,只要它们满足所有其它的设计要求,比如成本、性能、尺寸大小、安全性,以及功耗。Flash技术具有独特的性能,在低功耗的单芯片中结合了非易失性和可重编程功能,这一解决方案成本非常经济,拥有夺取重要市场份额的有利条件。

     低功耗、非易失性FPGA和混合信号PSC将继续在各个市场和应用中发挥出色表现,如消费性和通信以至医疗、军事、工业、航天和汽车等。鉴于Actel的低功耗IGLOO、低成本ProASIC3和混合信号Fusion FPGA固有Flash技术的优势,将继续在全球范围获得重要的关注。

电子工程世界:今后FPGA与其他器件相比的优点及缺点是什么?FPGA与ASIC今后的关系将是如何?

Hezi Saar:通常,ASIC和FPGA之间的区别主要在于成本、工具可用性、性能和设计灵活性。它们各有其优点和缺点,并取决于设计人员和应用。

     可编程逻辑器件 (PLD) 是用于构建数字集成电路的电子组件,与专用集成电路 (ASIC) 等固定功能的解决方案不同,PLD在制造时具有未定义的功能,允许在芯片生产并付运予客户后进行定制,在PLD用于电路之前,必须进行编程。

     PLD的主要优势在于灵活性和上市时间短,ASIC制造商可能需要数月时间,方能开始付运定制ASIC,而可编程芯片只需数分钟,即可完成编程。如果出现设计缺陷,大多数经编程的IC可以轻易修改,然而,定制ASIC可能又需要数月时间,方能完成新设计器件的制造。另一个有利于PLD的发展趋势是随着制造转向更小的工艺尺寸,ASIC的前期成本 (如掩模成本) 不断增加。

     PLD提供特定的功能,包括器件至器件接口、数据通信、信号处理、数据显示、计时和控制,以及任何其它的系统功能,涵盖广泛的市场领域,从通信到工业、军事到消费电子,以及医疗和汽车电子直到太空和航天应用。

     首先提一个有趣的问题:“如今的ASIC是什么?”,市场分析人士指出,ASIC市场是巨大的,而且正在增长,但是,我们看到传统的AISC设计开始减少。为什么?抽丝剥茧仔细查看,你可以发现从一个平台 (如开放式多媒体应用平台(OMAP)) 演变而来的非常有名的ASSP,来自供应商的产品采用先进的技术,瞄准重要的应用领域 (如手机)。通过硅产品和系统供应商的高效合作,批量应用正在增加。因此,其它产品如何呢?ASIC原来的价值在于大批量定制优势,这仍然是市场的需求,不过,处于不断增加的成本和ROI压力之下。

     来自FPGA、MCU和模拟产品供应商的可配置和可编程产品开始满足这个市场需求,我们将会看到在未来数年中,随着FPGA发展,种类增多,其价值加速增长。相比传统的可编程产品,这些器件提供更高的速度、更低的功耗和更低的成本。它们可以看作一种未来的平台式ASIC,专用性更强,然而具有可配置性,用户只需片刻时间,即可在办公桌上进行配置。

电子工程世界:对于功耗,性能,加密性,开发简易性等方面来看,您认为最重要的是那一部分?将如何权衡这些关系?


Hezi Saar :Actel是以创新为基础的企业,不断努力以实现最佳的功耗、性能、安全性、易于开发性和价格的平衡。

     我们每种产品都提供独特的特性组合,这是我们将客户所需的各项功能进行平衡的最佳例证。

     举例说,Actel的IGLOO FPGA系列提供低至5µW的最低静态功耗,是竞争性可编程逻辑产品的一千七百分之一。我们的Flash*Freeze技术用于IGLOO器件,能够轻易进入和退出功耗仅为5 μW的超低功耗模式,同进保存SRAM和寄存器数据。Actel的低功耗IGLOO FPGA采用球间距为0.4-mm的4 x 4-mm封装,这是市场上用于可编程逻辑器件的最小封装。IGLOO FPGA的价格低至0.99美元,工作频率高达250Mz,将继续应用于绝对低功耗和最小尺寸至关重要的领域。另外,对于需要32位处理能力的低功耗应用,设计人员可以在M1 IGLOO器件中免授权费或权益金使用ARM® Cortex-M1处理器。

     Actel的全新ProASIC3L系列器件仔细地平衡了低功耗和高速度,结合了大幅降低的功耗和高达350MHz的工作频率,适合高性能、具功耗意识系统的设计人员采用。与Actel屡获殊荣的5µW IGLOO FPGA一样,ProASIC3L器件也支持1.2V核心及I/O电压,以及Actel创新的Flash*Freeze技术。在典型的高速设计中,ProASIC3L器件的动态功耗只有100mW,静态功耗仅为1mW,而在采用同级100万门FPGA的典型高速设计中,基于SRAM的竞争解决方案的动态功耗较其高出60%,静态功耗更是大了100倍。ProASIC3L系列还支持专为FPGA优化的32位ARM Cortex-M1的免费实施方案,可让设计人员挑选能够最好地满足其速度和功率设计需求的Actel Flash FPGA解决方案,而不论应用或数量为何。

     Actel的低功耗1.5V ProASIC3 FPGA针对性能进行了优化,工作频率达350MHz,批量产品的价格低至0.99美元,为工业、医疗和科研等高性能市场领域的设计人员,提供了具有高速、低功耗和低成本优势的灵活且功能丰富的解决方案。需要32位处理能力的低功耗应用可以在M1 ProASIC3器件中使用ARM Cortex-M1处理器,毋须付授权费或权益金。

     通过与客户密切合作,我们将继续提供专为满足今天便携电子产品的独特需求而优化的低功耗Flash FPGA产品。


电子工程世界:在FPGA发展以及开发过程中所面临的挑战有哪些?

Hezi Saar:在半导体行业中,就那一代工艺将是最终的“伟大的”尺寸缩减工艺存在着争议,PLD行业也是不例外,对于每一代工艺而言,向前发展的边际成本呈指数级增长,而且增加的优势减少了。

     对于90nm工艺,漏电流和软错误等问题日益严重,需要越来越多的工艺折衷以获得工艺尺寸缩减带来的优势。现在,设计人员必须在功耗、性能和价格 (三大重要因系) 之间进行选择,而不是通过工艺缩减改善所有方面。几代工艺之前,在“三大重要因素”方面的改进是自动生成的,今天则不然,要达到新的几何工艺如90nm是一次得不偿失的胜利,因为你会发现仅可获得三大优势中的其中一项。

     在PLD领域,当下一代工艺尺寸缩减无法明确为三大重要因素提供优势时,软错误率、安全性、电路板占位面积和即时上电功能将成为决定性因素。这在汽车电子、消费电子和航天等市场非常重要,可编程逻辑产品在上述领域正发展壮大。批量配置系统的设计人员需要高可靠性,这是具有高软错误率的SRAM器件所无法满足的,而且,电路板资源受限系统的设计人员将不会满足于多芯片可编程逻辑解决方案。

电子工程世界:如何应对这些挑战?

Hezi Saar:工艺尺寸缩减时代的终止表示工艺创新结合客户驱动市场发展的新趋势开始。我们正进入一个竞争和分化日益加剧的年代,在新兴市场中抓住客户的机会将属于这样的企业,他们致力于让其产品和服务与客户的需求相匹配,而不是那些只专注于率先达到最小工艺尺寸的企业。

 

关键字:Actel  FPGA

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2008/0916/article_262.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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