FPGA加速滲透“非傳統(tǒng)”應(yīng)用領(lǐng)域
編者按：FPGA做為可編程邏輯器件(PLD)的主要產(chǎn)品，在通信、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用，客戶的認(rèn)知程度越來越高。同時(shí)，F(xiàn)PGA不斷向ASIC、ASSP、DSP和嵌入式產(chǎn)品的傳統(tǒng)領(lǐng)域滲透，F(xiàn)PGA開發(fā)工具及測試廠商實(shí)力日益增強(qiáng)，加之全球領(lǐng)先的代工廠臺積電、臺聯(lián)電等的鼎力支持，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)環(huán)境漸成。本報(bào)特推出可編輯器件白皮書，全面展示該領(lǐng)域領(lǐng)袖廠商Xilinx、Altera、Actel的風(fēng)采，介紹其最新產(chǎn)品和最新應(yīng)用，并回顧FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史，為未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展拋磚引玉。白皮書將全面介紹FPGA開發(fā)工具及測試廠商的產(chǎn)品，力求呈現(xiàn)全景式的可編程邏輯產(chǎn)業(yè)。
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(gè)增長到10億個(gè)以上；另一方面向外擴(kuò)張——應(yīng)用領(lǐng)域從最初的通信業(yè)不斷向消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)控制等滲透，同時(shí)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(jìn)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(jì)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(jìn)入消費(fèi)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(bào)》記者采訪時(shí)所言：“2001年的IT產(chǎn)業(yè)泡沫破裂是一個(gè)重大的里程碑，它是我們認(rèn)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(jìn)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(jìn)入新的市場?！?
另一方面，消費(fèi)電子等新興產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品及時(shí)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(qiáng)項(xiàng)。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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)一步擴(kuò)展了低成本FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。
如今消費(fèi)電子領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越重視功率問題。低功耗FPGA市場成為一個(gè)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(dá)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(fèi)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(shí)現(xiàn)和控制汽車上的電子系統(tǒng)以及擴(kuò)展新一代汽車的功能。與MCU相比，F(xiàn)PGA可讓汽車設(shè)計(jì)人員實(shí)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(cuò)誤和固件錯(cuò)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(jì)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(shí)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(dá)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(diǎn)
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(bào)》記者采訪時(shí)坦言：“在2004年加入賽靈思公司之前，我也認(rèn)為FPGA非常適用于原型設(shè)計(jì)，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?！?
實(shí)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(diǎn)在于始終處于連續(xù)的變化之中，不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)、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(qiáng)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(jī)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(dān)大量計(jì)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(qiáng)的FPGA為DSP技術(shù)開拓了新市場。
對此，TI首席科學(xué)家方進(jìn)在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示認(rèn)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(qiáng)，具有很高的性價(jià)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(jì)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(jià)，提供了超過30GMAC/s的性能和高達(dá)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(bào)》記者采訪時(shí)表示，Altera的市場領(lǐng)域不僅僅是FPGA，還擴(kuò)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(xiàn)也許就是創(chuàng)建了如今被全球半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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?！?
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(jìn)了FPGA生態(tài)系統(tǒng)的形成。Synplicity公司長期專注于FPGA設(shè)計(jì)，在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化這個(gè)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?xiàng)铕┙蛟诮邮堋吨袊娮訄?bào)》記者采訪時(shí)認(rèn)為，這些都可以使FPGA的設(shè)計(jì)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(gè)強(qiáng)大的工具HDL Designer Series、Modelsim和Precision緊密結(jié)合在一起，為FPGA設(shè)計(jì)提供了一套集成易用的完整解決方案，涵蓋設(shè)計(jì)的創(chuàng)建、仿真、綜合、布局布線以及文檔和設(shè)計(jì)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(jì)和測試的挑戰(zhàn)，加快產(chǎn)品開發(fā)和上市時(shí)間。Tektronix的FPGA測試測量方案可分三類：基于邏輯分析儀的實(shí)時(shí)板級在線調(diào)試方案、基于高性能示波器的實(shí)時(shí)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。
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(gè)增長到10億個(gè)以上；另一方面向外擴(kuò)張——應(yīng)用領(lǐng)域從最初的通信業(yè)不斷向消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)控制等滲透，同時(shí)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(jìn)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(jì)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(jìn)入消費(fèi)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(bào)》記者采訪時(shí)所言：“2001年的IT產(chǎn)業(yè)泡沫破裂是一個(gè)重大的里程碑，它是我們認(rèn)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(jìn)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(jìn)入新的市場?！?
另一方面，消費(fèi)電子等新興產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品及時(shí)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(qiáng)項(xiàng)。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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)一步擴(kuò)展了低成本FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。
如今消費(fèi)電子領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越重視功率問題。低功耗FPGA市場成為一個(gè)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(dá)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(fèi)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(shí)現(xiàn)和控制汽車上的電子系統(tǒng)以及擴(kuò)展新一代汽車的功能。與MCU相比，F(xiàn)PGA可讓汽車設(shè)計(jì)人員實(shí)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(cuò)誤和固件錯(cuò)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(jì)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(shí)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(dá)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(diǎn)
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(bào)》記者采訪時(shí)坦言：“在2004年加入賽靈思公司之前，我也認(rèn)為FPGA非常適用于原型設(shè)計(jì)，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?！?
實(shí)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(diǎn)在于始終處于連續(xù)的變化之中，不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)、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(qiáng)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(jī)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(dān)大量計(jì)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(qiáng)的FPGA為DSP技術(shù)開拓了新市場。
對此，TI首席科學(xué)家方進(jìn)在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示認(rèn)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(qiáng)，具有很高的性價(jià)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(jì)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(jià)，提供了超過30GMAC/s的性能和高達(dá)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(bào)》記者采訪時(shí)表示，Altera的市場領(lǐng)域不僅僅是FPGA，還擴(kuò)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(xiàn)也許就是創(chuàng)建了如今被全球半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)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?！?
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(jìn)了FPGA生態(tài)系統(tǒng)的形成。Synplicity公司長期專注于FPGA設(shè)計(jì)，在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化這個(gè)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?xiàng)铕┙蛟诮邮堋吨袊娮訄?bào)》記者采訪時(shí)認(rèn)為，這些都可以使FPGA的設(shè)計(jì)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(gè)強(qiáng)大的工具HDL Designer Series、Modelsim和Precision緊密結(jié)合在一起，為FPGA設(shè)計(jì)提供了一套集成易用的完整解決方案，涵蓋設(shè)計(jì)的創(chuàng)建、仿真、綜合、布局布線以及文檔和設(shè)計(jì)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(jì)和測試的挑戰(zhàn)，加快產(chǎn)品開發(fā)和上市時(shí)間。Tektronix的FPGA測試測量方案可分三類：基于邏輯分析儀的實(shí)時(shí)板級在線調(diào)試方案、基于高性能示波器的實(shí)時(shí)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。
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