本文主要為大家闡述FPGA如何在半導(dǎo)體行業(yè)大放異彩,在新的階段,對(duì)FPGA而言,融合將是一種必然趨勢(shì)!
如果說(shuō)哪一類產(chǎn)品的成長(zhǎng)率超過(guò)半導(dǎo)體行業(yè)平均增長(zhǎng)率,那FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)算是其中翹楚。無(wú)止境的帶寬需求、無(wú)處不在的互聯(lián)計(jì)算、不斷拓寬的市場(chǎng)、勢(shì)在必行的可編程技術(shù)都使得高度靈活的FPGA大放光彩。
向新融合時(shí)代進(jìn)發(fā)
雖然FPGA現(xiàn)在只有幾個(gè)資深玩家,但仍然可用“異彩紛呈”描述它的創(chuàng)新軌跡,而融合則是其“精髓”。一方面,它的融合不只是“跨界”,通過(guò)集成ARM處理器等進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)。正如維特根斯坦所言,各種哲學(xué)流派存在家族相似性,F(xiàn)PGA的融合也相似。如賽靈思(Xilinx)的Zynq-7000系列、Altera的28nm Cyclone V和Arria V產(chǎn)品、Microsemi半導(dǎo)體公司的SmartFusion器件等。Altera資深副總裁、首席技術(shù)官M(fèi)isha Burich表示,未來(lái)10年是FPGA融合的時(shí)代,在FPGA中會(huì)集成硬核處理器、大容量邏輯單元、精度可調(diào)DSP等,利用這種兼顧的架構(gòu)可不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域,覆蓋高性能計(jì)算、高性能存儲(chǔ)、汽車馬達(dá)控制等。
另一方面,F(xiàn)PGA廠商突破摩爾定律的3D異構(gòu)IC,將不同工藝的模擬和數(shù)字IC實(shí)現(xiàn)單芯片集成,為FPGA開(kāi)辟了更廣闊的未來(lái)。京微雅格(北京)科技有限公司市場(chǎng)總監(jiān)竇祥峰就提到,F(xiàn)PGA未來(lái)融合的方向和創(chuàng)新點(diǎn)應(yīng)該是在封裝上,現(xiàn)在封裝和制程節(jié)點(diǎn)同樣重要,封裝技術(shù)對(duì)系統(tǒng)集成有很大的幫助,如TSV硅穿孔、2.5D封裝/3D封裝等新型封裝技術(shù)。
賽靈思公司全球高級(jí)副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人也對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示,3D IC可將混合信號(hào)、存儲(chǔ)器和高密度邏輯等不同工藝的裸片集成,邏輯使用20nm/22nm工藝,而混合信號(hào)和存儲(chǔ)器則使用更成熟、更合適的工藝節(jié)點(diǎn)。3D IC技術(shù)可降低企業(yè)一下子把所有設(shè)計(jì)都移植到最尖端工藝的壓力和風(fēng)險(xiǎn),從而有助于整個(gè)行業(yè)向20nm工藝過(guò)渡?!安贿^(guò),系統(tǒng)級(jí)單芯片器件的設(shè)計(jì)和集成比以往需要更多專業(yè)技術(shù)和投資,3D IC的開(kāi)發(fā)和測(cè)試也需要多年專業(yè)經(jīng)驗(yàn)?!睖⑷诉M(jìn)一步指出。
最近一年間賽靈思已交付了全球首批單芯片異構(gòu)3D IC,其中包括高密度的Virtex-7 2000T,提供68億個(gè)晶體管和2000萬(wàn)個(gè)ASIC等效門;高帶寬的Virtex-7 H580T,提供多達(dá)16個(gè)28Gbps收發(fā)器和72個(gè)13.1Gbps收發(fā)器以及可滿足關(guān)鍵Nx100G和400G線路卡應(yīng)用功能要求的單芯片解決方案。
當(dāng)然,一切創(chuàng)新都要以應(yīng)用為導(dǎo)向。Altera公司總裁兼CEO John Daane表示,F(xiàn)PGA對(duì)新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的需求已經(jīng)超出了電路設(shè)計(jì)能力,在芯片級(jí)甚至是系統(tǒng)級(jí)影響設(shè)計(jì)選擇。他舉例道,在當(dāng)今以系統(tǒng)為導(dǎo)向的環(huán)境下,只有業(yè)界最快的收發(fā)器還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。串行鏈路需要速度足夠快的控制器才能夠跟上收發(fā)器,控制器需要速度很快的片內(nèi)總線、容量足夠大和速度足夠快的緩沖以支持它們,而且所有這些模塊必須滿足能耗要求。
設(shè)計(jì)工具革新應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
將融合進(jìn)行到底的FPGA雖然一路走來(lái)風(fēng)光無(wú)限,但Altera亞太區(qū)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理謝曉東指出:“FPGA硬件設(shè)計(jì)的靈活性也會(huì)帶來(lái)諸如設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加的煩惱,而軟件開(kāi)發(fā)在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期中占重要地位。誰(shuí)更早開(kāi)發(fā)軟件,誰(shuí)就能占據(jù)先機(jī),贏得市場(chǎng)?!庇捎贔PGA包括處理器、DSP、硬核IP等不同模塊,如何對(duì)它編程需要認(rèn)真考慮,包括綜合、仿真及時(shí)序分析,系統(tǒng)互聯(lián),基于C語(yǔ)言的編輯工具,DSP編程以及嵌入式軟件工具OS支持等。
而FPGA廠家對(duì)設(shè)計(jì)工具的革新也著眼于此。賽靈思前不久公開(kāi)發(fā)布新一代顛覆性設(shè)計(jì)環(huán)境Vivado設(shè)計(jì)套件,來(lái)打破集成和實(shí)現(xiàn)的瓶頸?!癡ivado不僅能加速可編程邏輯和IO的設(shè)計(jì)速度,而且還可提高可編程系統(tǒng)的集成度和實(shí)現(xiàn)速度,讓器件能夠集成3D堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)、ARM處理系統(tǒng)、模擬混合信號(hào)(AMS)和絕大大部分半導(dǎo)體IP核。Vivado設(shè)計(jì)套件突破了可編程系統(tǒng)集成度和實(shí)現(xiàn)速度兩方面的重大瓶頸,將設(shè)計(jì)生產(chǎn)力提高到同類競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)環(huán)境的4倍。”湯立人指出。
而Altera的方法是“各個(gè)擊破”。Misha Burich提到,針對(duì)以上五點(diǎn)混合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境,Altera有分別的解決方案:在綜合、仿真及時(shí)序分析方面,有傳統(tǒng)的QuartusII;而在片上互連方面,提供Qsys工具;在基于C語(yǔ)言的編程工具上,OpenCL可以做一個(gè)并行編程的編譯器;在DSP編程方面,Altera與The MathWorks公司合作,可以通過(guò)SoPC Builder下的DSP Builder提供給客戶;在嵌入式的軟件工具及OS支持方面,可通過(guò)他們的第三方開(kāi)發(fā)工具,獲得對(duì)FPGA的開(kāi)發(fā)支持。此外,Altera率先在FPGA業(yè)界實(shí)現(xiàn)了虛擬原型開(kāi)發(fā)技術(shù),可支持用戶面向他們的SoC FPGA器件開(kāi)始應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā),以最小的工作量將軟件移植到等價(jià)的硬件中,不需要修改就可以運(yùn)行。
而京微雅格也深知開(kāi)發(fā)工具的重要性?!盀榭s短設(shè)計(jì)周期和加快上市,提供便捷易用的開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越重要,我們?cè)谲浖子眯耘c人性化、調(diào)試的方便性、時(shí)序優(yōu)化、軟件編譯時(shí)間上做了很大的努力,現(xiàn)在我們?cè)谶@些方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平?!备]祥峰表示。
除了FPGA原廠自己提供開(kāi)發(fā)套件外,第三方的開(kāi)發(fā)板或工具是FPGA生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。北京阿爾戴信息技術(shù)有限公司南方區(qū)技術(shù)經(jīng)理毛春靜提到,目前的主流FPGA器件廠商,都只提供滿足基本開(kāi)發(fā)流程所需功能的工具,對(duì)前端設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和評(píng)測(cè)支持甚少,這都需要專業(yè)的第三方EDA工具提供支持。“隨著對(duì)FPGA器件應(yīng)用的深入以及規(guī)模的擴(kuò)大、復(fù)雜度的提高,必然會(huì)對(duì)第三方專業(yè)EDA工具有著持續(xù)增長(zhǎng)的需求。”毛春靜表示。
對(duì)于未來(lái)FPGA開(kāi)發(fā)工具走向,竇祥峰表示,未來(lái)FPGA開(kāi)發(fā)工具會(huì)利用CPU多核技術(shù),減少FPGA的編譯時(shí)間,利用GUI實(shí)現(xiàn)與RTL的互操作,提高軟件的效率等。
國(guó)內(nèi)廠商開(kāi)始發(fā)力
從20世紀(jì)80年代開(kāi)始先后有58家公司從事過(guò)FPGA的研發(fā),但目前FPGA廠家僅只有三四家碩果僅存。而國(guó)內(nèi)的聲音在這方面相比通信芯片、無(wú)線芯片等相對(duì)較弱。可喜的是,除了航天772所在高可靠領(lǐng)域應(yīng)用FPGA領(lǐng)域取得突破外,另一家著力于民用市場(chǎng)的京微雅格開(kāi)始異軍突起。
京微雅格公司CEO劉明博士對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹,從多家技術(shù)、資金實(shí)力雄厚的大公司在FPGA領(lǐng)域折戟沉沙中吸取的教訓(xùn)在于:一是不能以技術(shù)為導(dǎo)向,要重視市場(chǎng);二是要保證持續(xù)的資金投入,有些公司正是因?yàn)橘Y金鏈的中斷而退出市場(chǎng)。三是市場(chǎng)與芯片定位問(wèn)題;四是軟硬件配合問(wèn)題。
京微雅格則吸取早期FPGA廠商失敗的經(jīng)驗(yàn),以研發(fā)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向,在經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的充分調(diào)研后確定了現(xiàn)在的FPGA+CPU+FLASH+SRAM的Tile架構(gòu),并推出了32款產(chǎn)品。劉明介紹說(shuō),京微雅格的優(yōu)勢(shì)在于研發(fā)、銷售、市場(chǎng)、售后全部都在中國(guó),因此更加了解中國(guó)的市場(chǎng)特點(diǎn)和需求。下一步京微雅格已開(kāi)始55納米LP工藝CME4000產(chǎn)品系列的開(kāi)發(fā),計(jì)劃10月開(kāi)始流片。
而航天772所則在高可靠領(lǐng)域應(yīng)用找到了自己的施展天地。目前高可靠領(lǐng)域應(yīng)用FPGA市場(chǎng)大約在整個(gè)FPGA市場(chǎng)的10%-15%份額,并且每年呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。航天772所FPGA部主任陳雷表示,目前FPGA產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了“應(yīng)用為王”的時(shí)代,構(gòu)建不同應(yīng)用領(lǐng)域的平臺(tái)FPGA產(chǎn)品是未來(lái)發(fā)展方向。面向宇航、軍用及汽車等特殊領(lǐng)域應(yīng)用,航天772所已形成百萬(wàn)門級(jí)高可靠和高等級(jí)的FPGA系列產(chǎn)品。
當(dāng)然,雖然國(guó)內(nèi)FPGA已邁出了“一小步”,但能否成為FPGA業(yè)的“一大步”,還有諸多挑戰(zhàn)。劉明表示,目前公司遇到的最大挑戰(zhàn)是如何讓國(guó)產(chǎn)FPGA盡快地進(jìn)入市場(chǎng)并得以認(rèn)可,除了自身修煉內(nèi)功之外,還需要國(guó)內(nèi)市場(chǎng)持續(xù)關(guān)注國(guó)產(chǎn)FPGA的研發(fā)進(jìn)度,帶動(dòng)整個(gè)使用國(guó)產(chǎn)FPGA的生態(tài)鏈發(fā)展。陳雷也指出,應(yīng)借助國(guó)家重大科技專項(xiàng)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展,以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式構(gòu)建完善的國(guó)內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境,合適地引入資本市場(chǎng)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,加強(qiáng)整機(jī)系統(tǒng)企業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)的牽引作用,力爭(zhēng)以點(diǎn)帶面,尋求合適的特殊領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境作為國(guó)產(chǎn)FPGA的市場(chǎng)切入點(diǎn),形成中國(guó)FPGA的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
評(píng)論
查看更多