fpga:机遇与挑战并存 （转）

By: xuxiaodong10

fpga:机遇与挑战并存

fpga（现场可编程门阵列）是一种大规模可编程逻辑器件，它的体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽, 并且设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。
自1985年第一片现场可编程逻辑器件（fpga）问世至今，fpga已经历了二十年的发展历史。在这二十年的发展过程中，以fpga为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200门，发展到现在的几百万门，器件的集成度提高到一个新的水平。尤其是最近几年，fpga的主要厂商altera、xilinx等不断更新优化产品架构和生产工艺，不断降低fpga的功耗和系统成本，推出了很多高性能低价位的解决方案，将市场从传统的高端通信扩展到汽车和消费类电子产品。与此同时，fpga也出现了一些不同的发展方向和趋势。
2004年11月在硅谷，我见到了altera公司的通信和cci事务组资深副总裁don faria先生，他是可编程逻辑器件业内的一位先锋人物。早在20多年前，他就在hp担任asic的设计工程师，自1984年加入altera以后，他在应用工程、产品计划、工具推广、客户推广和应用业务等部门都担任过管理职务，并拥有可编程逻辑器件的好几项专利。做为亲身经历甚至参与创造了可编程逻辑器件发展历史的人物之一，与他探讨可编程逻辑产品的发展再合适不过了。
']s8eo@:kl不断优化结构和工艺，拓展应用领域
#e-a7^ n%mti这几年来fpga市场的飞速增长和一代代新工艺新产品的不断推出，给我印象极为深刻。fpga产品的逻辑单元越来越多，性能越来越高，而单位成本和功耗却越来越低，这是因为fpga厂商不断优化产品结构和采用更先进的生产工艺。现在fpga厂商相继采用90nm的制造工艺生产新一代的fpga产品。
先进的90nm制造工艺在物理上达到了一个新的极限，这对于fpga厂商来说是一个新的挑战。但是，克服了这一极限的挑战后，产品成熟量产，将大大降低fpga的功耗和成本。altera的cyclone ii器件就是采用90nm成熟的生产工艺，容量从4608至68416个逻辑单元(le)，能够在0.35美元的逻辑上实现超过100mips的性能。altera已经开始向65nm进军。xilinx的spantan-3系列也是采用90nm生产，5万门的价格仅为3.5美元，100万门的价格不到20美元，而400万门的价格低于100美元，兼具高性能、成品可用性以及低成本特点。
[lw"]4?随着asic的掩膜成本不断增加，具有极大灵活性和可编程性的fpga器件，如果真正突破了成本、功耗等方面的瓶颈，可迅速将市场从传统的高端通信领域扩展到消费类电子市场。fpga极有可能对asic市场造成威胁。对于这一点，faria先生的看法是非常肯定的。“实际上，fpga在除了通信之外的很多领域都有很好的市场前景，比如高端pc工作站、高端打印机、医疗设备、高档照相机、家庭和办公设备、汽车、数字电视及平板显示器等。”faria先生尤其强调，高清lcd、dlp、pdp等平板显示产品将是fpga产品一个新的市场热点，尤其是中国数字电视产业的起飞将给fpga带来一个巨大的市场空间。
集成更多ip模块，挑战dsp
从本质上来讲，fpga更象一个应用平台，客户可根据自己的需要在平台上做自己的设计和产品定义。随着各种不同的新应用层出不穷，复杂性越来越大，客户对速度、功能、效率的要求越来越高，因此fpga也将集成越来越多的ip模块和功能，比如高速i/o口、收发器、更大的存储器以及dsp模块。
既然集成了dsp模块，会不会对传统的dsp市场造成威胁呢？faria先生给我展示了bdti(berkeley design technology，著名的dsp评估公司)对集成了dsp模块的fpga与传统dsp在性能上所作的比较和评估。这个报告指出，同样的价格下，altera的stratix系列能够处理的接收器通道比高端的dsp处理器高几十倍以上，stratix具有很高的存储器密度和带宽，这是dsp应用中非常重要的特性，意味着很高的片上数据带宽。看来集成了模块的fpga在某些方面确实拥有比dsp更好的性能。但业内一些专业人士也指出，就目前的技术发展情况来讲，fpga想要真正对dsp 的市场构成威胁恐怕绝非易事。尽管fpga的成本不断下降，但相对dsp来说，它的封装及总成本仍然昂贵，想要从高端市场走入低端应用尚需时日。另一方面，dsp阵营也在不断朝多内核、可编程方向发展，简单紧凑的结构和优秀的实时处理能力恐怕也不是复杂的fpga可以马上企及的。是否能够对dsp构成真正挑战，我们还要拭目以待。
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解决量产问题，实现规模应用

lotol$g*l“量产”是分隔fpga和asic市场的关键词语之一。asic结构完全固化，成本低，是适合大规模量产的芯片结构；而fpga可编程，灵活性高，一直以来都是用作建模的平台，设计经过验证后基本都要移植到asic进行量产。这两个处在对立面的产品，现在看来似乎有相互融合的趋势。
way"@,o&c0y;ofpga厂商并不甘心将自己的市场仅局限于原型设计，他们推出了解决fpga在成本和量产方面的解决方案，以逾越这条横亘在fpga面前的鸿沟。结构化asic是方案之一。altera的hardcopy方案是一套典型的结构化asic方案。最近推出的hardcopyii方案通过改变映射方法，只保留了fpga原型内有用的逻辑单元，从而大大减小芯片尺寸、功耗和成本。用户无需额外的设计就能快速移植到asic量产。结构化asic给市场带来了新的增长。gartner dataquest预测结构化asic市场将从2002年的110万美元增加到2007年的8.48亿美元。
但也有人称，结构化asic也存在一些不足之处。在设计初期，结构化asic可能对降低成本有所帮助，但不利于ic设计公司自身技术的积累和长期成本的降低。
.oz.vq)ovxilinx推出的easypath方案（客户专用fpga）是另一种解决量产问题的方式。xilinx称，easypath方案与标准的fpga没有本质的不同，只是采用了专利的测试技术和客户专用的测试样本来提升fpga的效率，因为无需经历任何转换工作，对于客户来说是没有风险的。
quicklogic也于今年1月新推了esp业务，其目标市场与赛灵思的easypath有些类似，只是产品内部结构不同于fpga。
2a-q-[$x.zl$c1a与这三家公司不同，actel和lattice并没有选择这种“中间路线”，而是坚定不移地发展fpga。actel推出proasic3/e系列，解决了300万门以下fpga市场的量产问题。lattice则表示，将专注于fpga，重点在于推动可编程器件的成本下降。
各个厂商采用的降低成本推动fpga量产的方案各不相同，但目的只有一个，就是实现fpga的规模应用。到底哪一个方案会占据主流，现在还难以定论。
作为一个基于高端技术的行业，fpga的发展前景显然是非常广阔的，业内的专家们不拘泥于固有的平台，新的设计思路和方法不断涌现，新的应用市场不断拓展，而挑战则意味着更大的机遇，这绝对是一个非常值得关注和期待的行业。
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