FPGA在非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域顯身手

自從1985年首款FPGA器件誕生以來，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)一方面修煉內(nèi)功——從技術(shù)上來說，工藝從2μm發(fā)展到65nm，晶體管數(shù)量從8.5萬個增長到10億個以上；另一方面向外擴張——應(yīng)用領(lǐng)域從最初的通信業(yè)不斷向消費電子、汽車、工業(yè)控制等滲透，同時在不斷“蠶食”DSP、ASIC、ASSP和嵌入式處理器的市場。如今，Xilinx、Altera和Actel等FPGA產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)廠商也不再是20多年前的孤軍奮戰(zhàn)，在其周圍，F(xiàn)PGA開發(fā)和應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)已然初步形成，大大促進了FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“非傳統(tǒng)”應(yīng)用領(lǐng)域顯身手

通信業(yè)一直是FPGA產(chǎn)業(yè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，2006年，通信業(yè)應(yīng)用收入占Altera公司總收入的42%，公司預(yù)計未來在通信市場仍然將占據(jù)總銷售的最大百分比。占據(jù)FPGA產(chǎn)業(yè)超過一半市場份額的Xilinx公司同樣如此，在2000年左右，通信業(yè)占據(jù)公司總銷售收入的70%以上。既然如此，如今的FPGA廠商為什么要進入消費電子、汽車和工業(yè)控制等新興領(lǐng)域艱難開拓新市場呢？

一方面，正如Xilinx（賽靈思）公司亞太區(qū)營銷董事鄭馨南在接受《中國電子報》記者采訪時所言：“2001年的IT產(chǎn)業(yè)泡沫破裂是一個重大的里程碑，它是我們認識到不能完全只依靠通信業(yè)，公司開始開發(fā)多元化產(chǎn)品并進入新的領(lǐng)域。FPGA的增長已經(jīng)出現(xiàn)緩和的跡象，因此必須要進入新的市場?！?/p>

另一方面，消費電子等新興產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品及時上市、降低生產(chǎn)成本、更高的性能與更多的功能，在所在市場保持合理的功耗等要求恰恰是FPGA產(chǎn)品的強項。因此，基于上述原因，F(xiàn)PGA在新領(lǐng)域的應(yīng)用就是水到渠成的事情了。Altera2002年首次推出了從根本上就針對低成本進行設(shè)計的FPGA即Cyclone系列，改變了可編程邏輯器件的面貌。隨著65nm Cyclone III系列的推出，Altera進一步擴展了低成本FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。

如今消費電子領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計人員越來越重視功率問題。低功耗FPGA市場成為一個展露潛力的龐大市場。根據(jù)iSuppli市場預(yù)測，在約200億美元的ASIC市場中，有高達30億美元的份額將轉(zhuǎn)向低功耗FPGA解決方案，如Actel以Flash為基礎(chǔ)的ProASIC3和IGLOO FPGA，IGLOO FPGA靜態(tài)功耗僅為5μW，比同類競爭產(chǎn)品低4倍。成本低于10美元，常作為ASIC替代產(chǎn)品。據(jù)Gartner Dataquest預(yù)測，全球面向消費電子產(chǎn)業(yè)的FPGA/PLD市場規(guī)模將從2007年的4.05億美元增長到2011年的6.47億美元。

Actel公司總裁兼首席執(zhí)行官John East指出，過去，汽車工程師通常依賴于微控制器（MCU）和定制ASIC產(chǎn)品來實現(xiàn)和控制汽車上的電子系統(tǒng)以及擴展新一代汽車的功能。與MCU相比，F(xiàn)PGA可讓汽車設(shè)計人員實現(xiàn)更好的性能，更多的功能（如I/O、可編程邏輯等）。類似地，與ASIC產(chǎn)品相比，F(xiàn)PGA的成本更低、靈活性更高。在三種主流FPGA技術(shù)（反熔絲、Flash和SRAM）之中，只有反熔絲和Flash技術(shù)能抵御中子誘發(fā)的軟錯誤和固件錯誤，最適合那些重視可靠性的應(yīng)用。Actel的反熔絲、Flash的FPGA器件是提供面向極端環(huán)境條件的高性能和高可靠性產(chǎn)品。

基于這些因素和其他方面的考慮，Gartner Dataquest估計全球面向汽車產(chǎn)業(yè)的FPGA/PLD市場規(guī)模將從2007年的9300萬美元增長到2011年的3.98億美元。

事實上，2006年，工業(yè)市場是Altera公司業(yè)務(wù)增長最快的領(lǐng)域，增長率達到20%。而Xilinx公司通信業(yè)務(wù)所占的比重也呈下降趨勢。

DSP和嵌入式應(yīng)用成熱點

賽靈思公司副總裁兼處理解決方案部總經(jīng)理Omid Tahernia在接受《中國電子報》記者采訪時坦言：“在2004年加入賽靈思公司之前，我也認為FPGA非常適用于原型設(shè)計，但對于批量DSP系統(tǒng)應(yīng)用來說，成本太高，功耗太大。然而，沒過多久，我源于DSP視角的看法就被大大地并且不可逆轉(zhuǎn)地改變了?！?/p>

實際上，由于在性能和靈活性方面的完美組合，F(xiàn)PGA在DSP領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，諸如通信、多媒體和國防行業(yè)等高增長的市場都非常需要高性能的DSP技術(shù)。這些市場的特點在于始終處于連續(xù)的變化之中，不斷變化的標準、市場需求、客戶需求以及競爭態(tài)勢。要跟上市場變化，企業(yè)就需要一種強大且靈活的處理器——FPGA就是這種特別適合的技術(shù)。

那么，F(xiàn)PGA這一外來者與傳統(tǒng)意義上TI（德州儀器）等公司的DSP產(chǎn)品是否將展開你死我活的爭斗呢？DSP市場研究機構(gòu)Forward Concepts的分析師Will Strauss預(yù)測：未來5年內(nèi)，可重配置DSP（99%是FPGA）市場增長速度將超過DSP整體市場中的任何其他部分。Strauss還指出：FPGA經(jīng)常被用來分流承擔大量計算任務(wù)，幫助提高傳統(tǒng)DSP芯片的能力。換句話來說，F(xiàn)PGA并非替代DSP。相反的是，功能和性能都不斷增強的FPGA為DSP技術(shù)開拓了新市場。

對此，TI首席科學(xué)家方進在接受《中國電子報》記者采訪時表示認同。他說：“目前兩者的應(yīng)用領(lǐng)域并不完全相同，我們和Xilinx保持了良好的合作關(guān)系，至少在短期內(nèi)不會產(chǎn)生競爭?！编嵻澳蟿t表示，在DSP領(lǐng)域公司和TI合作得很好，Xilinx的DSP是并行處理，功能很強，具有很高的性價比，高性能和低功耗應(yīng)用最為合適?！癟I的多核DSP也將不斷提升性能，而我們也會向性能要求較低的領(lǐng)域發(fā)展，未來可能將呈現(xiàn)應(yīng)用的交叉?！编嵻澳项A(yù)測。

Xilinx公司首席執(zhí)行官Wim Roelandts表示公司很早就開始重視DSP和嵌入式應(yīng)用，并開發(fā)出不同的工具來應(yīng)對DSP和嵌入式開發(fā)設(shè)計人員的需求。今年推出的Virtex-5 SXT平臺主要面向要求超高DSP帶寬和更低系統(tǒng)成本的下一代無線、國防和多媒體視頻應(yīng)用。Spartan-3A DSP平臺以低于30美元的批量生產(chǎn)起價，提供了超過30GMAC/s的性能和高達2200 Mbps的存儲器帶寬。

英雄所見略同。Altera公司首席執(zhí)行官John Daane在接受《中國電子報》記者采訪時表示，Altera的市場領(lǐng)域不僅僅是FPGA，還擴展到了ASIC、嵌入式和DSP市場。Stratix III E系列型號提供豐富的存儲器和乘法器資源，適合數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。

FPGA生態(tài)系統(tǒng)成形

FPGA產(chǎn)業(yè)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最大的貢獻也許就是創(chuàng)建了如今被全球半導(dǎo)體設(shè)計公司廣泛采用的無生產(chǎn)線（Fabless）模式。在創(chuàng)立之初，Xilinx公司創(chuàng)始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司確信利用該公司的制造設(shè)施來生產(chǎn)Xilinx公司設(shè)計的芯片對雙方都是有利的。無生產(chǎn)線模式誕生了！

如今，Xilinx公司采用UMC和東芝的雙代工策略，Altera則使用全球最大的代工企業(yè)TSMC為其生產(chǎn)芯片。John Daane說：“合作是我們彼此獲得市場成功的基石。我們在最新工藝節(jié)點的產(chǎn)品發(fā)布上有很好的記錄，例如順利、無誤地推出90nm和65nm產(chǎn)品。在45nm上，我們將一如既往保持這種優(yōu)秀的記錄?！?/p>

除了代工廠之外，F(xiàn)PGA開發(fā)工具和測試廠商也紛紛推出了相應(yīng)的產(chǎn)品，促進了FPGA生態(tài)系統(tǒng)的形成。Synplicity公司長期專注于FPGA設(shè)計，在電子設(shè)計自動化這個領(lǐng)域里使用最新的FPGA技術(shù)。該公司中國區(qū)銷售經(jīng)理楊皓津在接受《中國電子報》記者采訪時認為，這些都可以使FPGA的設(shè)計更加成功，世界頂尖的PLD廠商與Synplicity公司的合作非常緊密。所以，只要FPGA面世，Synplicity就可以支持。

FPGA Advantage集成開發(fā)環(huán)境把Mentor公司三個強大的工具HDL Designer Series、Modelsim和Precision緊密結(jié)合在一起，為FPGA設(shè)計提供了一套集成易用的完整解決方案，涵蓋設(shè)計的創(chuàng)建、仿真、綜合、布局布線以及文檔和設(shè)計的管理。

泰克公司擁有十分完整的測試測量方案，來應(yīng)對FPGA設(shè)計和測試的挑戰(zhàn)，加快產(chǎn)品開發(fā)和上市時間。Tektronix的FPGA測試測量方案可分三類：基于邏輯分析儀的實時板級在線調(diào)試方案、基于高性能示波器的實時信號完整性測試方案和基于混合示波器的混合信號環(huán)境測試調(diào)試方案。