FPGA:22年从配角到主角

2007-08-01 08:56:10来源: 中国电子报

任何一个从事后看来很成功的新事物从诞生到发展壮大都不可避免地经历过艰难的历程并可能成为被研究的案例,FPGA也不例外。1985年,当全球首款FPGA产品——XC2064诞生时,注定要使用大量芯片的PC机刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场,因特网只是科学家和政府机构通信的神秘链路,无线电话笨重得像砖头,日后大红大紫的Bill Gates正在为生计而奋斗,创新的可编程产品似乎并没有什么用武之地。

事实也的确如此。最初,FPGA只是用于胶合逻辑,从胶合逻辑到算法逻辑再到数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器,FPGA真正地从配角变成了主角。在以闪电般速度发展的半导体产业里,22年足够改变一切。“在未来十年内每一个电子设备都将有一个可编程逻辑芯片”的理想正成为现实。

从2μm到65nm

1985年,Xilinx公司推出的全球第一款FPGA产品XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”——采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85000个晶体管,门数量不超过1000个。22年后的2007年,FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品,其门数量已经达到千万级,晶体管个数更是超过10亿个。一路走来,FPGA在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺,2003年采用90nm工艺,2006年采用65nm工艺。

在上世纪80年代中期,可编程器件从任何意义上来讲都不是当时的主流,虽然其并不是一个新的概念。可编程逻辑阵列(PLA)在1970年左右就出现了,但是一直被认为速度慢,难以使用。1980年之后,可配置可编程逻辑阵列(PAL)开始出现,可以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力。PAL被视为小规模/中等规模集成胶合逻辑的替代选择被逐步接受,但是当时可编程能力对于大多数人来说仍然是陌生和具有风险的。20世纪80年代在“mega PAL”方面的尝试使这一情况更加严重,因为“mega PAL”在功耗和工艺扩展方面有严重的缺陷,限制了它的广泛应用。

然而,Xilinx公司创始人之一——FPGA器件的发明者Ross Freeman认为,对于许多应用来说,如果实施得当的话,灵活性和可定制能力都是具有吸引力的特性。也许最初只能用于原型设计,但是未来可能代替更广泛意义上的定制芯片。事实上,正如Xilinx公司亚太区营销董事郑馨南所言,随着技术的不断发展,FPGA由配角到主角,很多系统设计都是以FPGA为中心来设计的。FPGA走过了从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说,最初只是逻辑器件,现在强调平台概念,加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术,从而被应用到更多的领域。

“过去20年来,PLD产品的终极目标一直瞄准速度、成本和密度三个指标,即构建容量更大、速度更快和价格更低的FPGA,让客户能直接享用。”Actel公司总裁兼首席执行官John East如此总结可编程逻辑产业的发展脉络。

当1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA产品——XC4000系列时,人们开始认真考虑可编程技术了。XC4003包含44万个晶体管,采用0.7μm工艺,FPGA开始被制造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具。事实证明,FPGA可为制造工业提供优异的测试能力,FPGA开始用来代替原先存储器所扮演的用来验证每一代新工艺的角色。也许从那时起,向最新制程半导体工艺的转变就已经不可阻挡了。最新工艺的采用为FPGA产业的发展提供了机遇。

Actel公司相信,Flash将继续成为FPGA产业中重要的一个增长领域。Flash技术有其独特之处,能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中,因此能提供高成本效益,而且处于有利的位置以抢占庞大的市场份额。Actel以Flash技术为基础的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信号Fusion FPGA将因具备Flash的固有优势而继续引起全球广泛的兴趣和注意。

从50亿美元到410亿美元

Altera公司估计可编程逻辑器件市场在2006年的规模大概为37亿美元,Xilinx公司的估计更为乐观一些,为50亿美元。虽然两家公司合计占据该市场90%的市场份额,但是作为业界老大的Xilinx公司在2006年的营收不过18.4亿美元,Altera公司则为12.9亿美元。PLD市场在2000年达到41亿美元,其后两年出现了下滑,2002年大约为23亿美元。虽然从2002年到2006年,PLD市场每年都在增长,复合平均增长率接近13%,但是PLD终究是一个规模较小的市场。而Xilinx公司也敏锐地意识到,FPGA产业在经历了过去几年的快速成长后将放慢前进的脚步,那么,未来FPGA产业的出路在哪里?

Altera公司总裁兼首席执行官John Daane认为,FPGA及PLD产业发展的最大机遇是替代ASIC和专用标准产品(ASSP),主要由ASIC和ASSP构成的数字逻辑市场规模大约为350亿美元。由于用户可以迅速对PLD进行编程,按照需求实现特殊功能,与ASIC和ASSP相比,PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势。然而,PLD通常比这些替代方案有更高的成本结构。因此,PLD更适合对产品及时面市有较大需求的应用,以及产量较低的最终应用。PLD技术和半导体制造技术的进步,从总体上缩小了PLD和固定芯片方案的相对成本差,在以前由ASIC和ASSP占据的市场上,Altera公司已经成功地提高了PLD的销售份额,并且今后将继续这一趋势。“FPGA和PLD供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户,而是向大批量应用最终市场和客户渗透。”John Daane为FPGA产业指明了方向。

Xilinx公司认为,ASIC SoC设计周期平均是14个月到24个月,用FPGA进行开发时间可以平均降低55%。而产品晚上市六个月5年内将少33%的利润,每晚四周等于损失14%的市场份额。因此,郑馨南雄心勃勃地预言:“FPGA应用将不断加快,从面向50亿美元的市场扩展到面向410亿美元的市场。”其中,ASIC和ASSP市场各150亿美元,嵌入式处理和高性能DSP市场各30亿美元。

改变产业观念居功至伟

虽然没有像蒸汽机车发明之初备受嘲笑被讥讽为“怪物”,但是FPGA在诞生之初受到怀疑是毫无疑问的。当时,晶体管逻辑门资源极为珍贵,每个人都希望用到的晶体管越少越好。不过,Ross Freeman挑战了这一观念,他大胆预言:“在未来,晶体管将变得极为丰富从而可以‘免费’使用。”如今,这一预言成为现实。

“FPGA非常适用于原型设计,但对于批量DSP系统应用来说,成本太高,功耗太大。”这是业界此前的普遍观点,很长时间以来也为FPGA进入DSP领域设置了观念上的障碍。而如今,随着Xilinx公司和Altera公司相关产品的推出,DSP领域已经不再是FPGA的禁区,相反却成了FPGA未来的希望所在。

FPGA对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这种模式司空见惯,但是在20多年前,制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑的主要竞争优势。然而,基于过去和关系和直接、清晰的业务模式,Xilinx创始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的,于是,无生产线模式诞生了。

未来,相信FPGA还将在更多方面改变半导体产业!

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