FPGA國內(nèi)廠商始發(fā)力 向新融合時代進發(fā)

如果說哪一類產(chǎn)品的成長率超過半導體行業(yè)平均增長率，那FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）算是其中翹楚。無止境的帶寬需求、無處不在的互聯(lián)計算、不斷拓寬的市場、勢在必行的可編程技術都使得高度靈活的FPGA大放光彩。

向新融合時代進發(fā)

雖然FPGA現(xiàn)在只有幾個資深玩家，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”，通過集成ARM處理器等進入嵌入式市場。正如維特根斯坦所言，各種哲學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半導體公司的SmartFusion器件等。Altera資深副總裁、首席技術官Misha Burich表示，未來10年是FPGA融合的時代，在FPGA中會集成硬核處理器、大容量邏輯單元、精度可調(diào)DSP等，利用這種兼顧的架構可不斷拓展應用領域，覆蓋高性能計算、高性能存儲、汽車馬達控制等。

另一方面，F(xiàn)PGA廠商突破摩爾定律的3D異構IC，將不同工藝的模擬和數(shù)字IC實現(xiàn)單芯片集成，為FPGA開辟了更廣闊的未來。京微雅格(北京)科技有限公司市場總監(jiān)竇祥峰就提到，F(xiàn)PGA未來融合的方向和創(chuàng)新點應該是在封裝上，現(xiàn)在封裝和制程節(jié)點同樣重要，封裝技術對系統(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。

賽靈思公司全球高級副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人也對《中國電子報》記者表示，3D IC可將混合信號、存儲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，而混合信號和存儲器則使用更成熟、更合適的工藝節(jié)點。3D IC技術可降低企業(yè)一下子把所有設計都移植到最尖端工藝的壓力和風險，從而有助于整個行業(yè)向20nm工藝過渡。“不過，系統(tǒng)級單芯片器件的設計和集成比以往需要更多專業(yè)技術和投資，3D IC的開發(fā)和測試也需要多年專業(yè)經(jīng)驗。”湯立人進一步指出。

最近一年間賽靈思已交付了全球首批單芯片異構3D IC，其中包括高密度的Virtex-7 2000T，提供68億個晶體管和2000萬個ASIC等效門；高帶寬的Virtex-7 H580T，提供多達16個28Gbps收發(fā)器和72個13.1Gbps收發(fā)器以及可滿足關鍵Nx100G和400G線路卡應用功能要求的單芯片解決方案。

當然，一切創(chuàng)新都要以應用為導向。Altera公司總裁兼CEO John Daane表示，F(xiàn)PGA對新技術節(jié)點的需求已經(jīng)超出了電路設計能力，在芯片級甚至是系統(tǒng)級影響設計選擇。他舉例道，在當今以系統(tǒng)為導向的環(huán)境下，只有業(yè)界最快的收發(fā)器還遠遠不夠。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。

設計工具革新應對挑戰(zhàn)

將融合進行到底的FPGA雖然一路走來風光無限，但Altera亞太區(qū)產(chǎn)品市場經(jīng)理謝曉東指出：“FPGA硬件設計的靈活性也會帶來諸如設計復雜度增加的煩惱，而軟件開發(fā)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期中占重要地位。誰更早開發(fā)軟件，誰就能占據(jù)先機，贏得市場。”由于FPGA包括處理器、DSP、硬核IP等不同模塊，如何對它編程需要認真考慮，包括綜合、仿真及時序分析，系統(tǒng)互聯(lián)，基于C語言的編輯工具，DSP編程以及嵌入式軟件工具OS支持等。

而FPGA廠家對設計工具的革新也著眼于此。賽靈思前不久公開發(fā)布新一代顛覆性設計環(huán)境Vivado設計套件，來打破集成和實現(xiàn)的瓶頸。“Vivado不僅能加速可編程邏輯和IO的設計速度，而且還可提高可編程系統(tǒng)的集成度和實現(xiàn)速度，讓器件能夠集成3D堆疊硅片互聯(lián)技術、ARM處理系統(tǒng)、模擬混合信號(AMS)和絕大大部分半導體IP核。Vivado設計套件突破了可編程系統(tǒng)集成度和實現(xiàn)速度兩方面的重大瓶頸，將設計生產(chǎn)力提高到同類競爭開發(fā)環(huán)境的4倍。”湯立人指出。

而Altera的方法是“各個擊破”。Misha Burich提到，針對以上五點混合系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，Altera有分別的解決方案：在綜合、仿真及時序分析方面，有傳統(tǒng)的QuartusII；而在片上互連方面，提供Qsys工具；在基于C語言的編程工具上，OpenCL可以做一個并行編程的編譯器；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，可通過他們的第三方開發(fā)工具，獲得對FPGA的開發(fā)支持。此外，Altera率先在FPGA業(yè)界實現(xiàn)了虛擬原型開發(fā)技術，可支持用戶面向他們的SoC FPGA器件開始應用軟件的開發(fā)，以最小的工作量將軟件移植到等價的硬件中，不需要修改就可以運行。

而京微雅格也深知開發(fā)工具的重要性。“為縮短設計周期和加快上市，提供便捷易用的開發(fā)工具越來越重要，我們在軟件易用性與人性化、調(diào)試的方便性、時序優(yōu)化、軟件編譯時間上做了很大的努力，現(xiàn)在我們在這些方面達到了國際先進水平。”竇祥峰表示。

除了FPGA原廠自己提供開發(fā)套件外，第三方的開發(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有限公司南方區(qū)技術經(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發(fā)流程所需功能的工具，對前端設計、驗證和評測支持甚少，這都需要專業(yè)的第三方EDA工具提供支持。“隨著對FPGA器件應用的深入以及規(guī)模的擴大、復雜度的提高，必然會對第三方專業(yè)EDA工具有著持續(xù)增長的需求。”毛春靜表示。

對于未來FPGA開發(fā)工具走向，竇祥峰表示，未來FPGA開發(fā)工具會利用CPU多核技術，減少FPGA的編譯時間，利用GUI實現(xiàn)與RTL的互操作，提高軟件的效率等。

國內(nèi)廠商開始發(fā)力

從20世紀80年代開始先后有58家公司從事過FPGA的研發(fā)，但目前FPGA廠家僅只有三四家碩果僅存。而國內(nèi)的聲音在這方面相比通信芯片、無線芯片等相對較弱?？上驳氖牵撕教?72所在高可靠領域應用FPGA領域取得突破外，另一家著力于民用市場的京微雅格開始異軍突起。

京微雅格公司CEO劉明博士對《中國電子報》記者介紹，從多家技術、資金實力雄厚的大公司在FPGA領域折戟沉沙中吸取的教訓在于：一是不能以技術為導向，要重視市場；二是要保證持續(xù)的資金投入，有些公司正是因為資金鏈的中斷而退出市場。三是市場與芯片定位問題；四是軟硬件配合問題。

京微雅格則吸取早期FPGA廠商失敗的經(jīng)驗，以研發(fā)為主體、市場為導向，在經(jīng)過對國內(nèi)外市場的充分調(diào)研后確定了現(xiàn)在的FPGA+CPU+FLASH+SRAM的Tile架構，并推出了32款產(chǎn)品。劉明介紹說，京微雅格的優(yōu)勢在于研發(fā)、銷售、市場、售后全部都在中國，因此更加了解中國的市場特點和需求。下一步京微雅格已開始55納米LP工藝CME4000產(chǎn)品系列的開發(fā)，計劃10月開始流片。

而航天772所則在高可靠領域應用找到了自己的施展天地。目前高可靠領域應用FPGA市場大約在整個FPGA市場的10%-15%份額，并且每年呈現(xiàn)快速增長的趨勢。航天772所FPGA部主任陳雷表示，目前FPGA產(chǎn)品已經(jīng)進入了“應用為王”的時代，構建不同應用領域的平臺FPGA產(chǎn)品是未來發(fā)展方向。面向宇航、軍用及汽車等特殊領域應用，航天772所已形成百萬門級高可靠和高等級的FPGA系列產(chǎn)品。

當然，雖然國內(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)是如何讓國產(chǎn)FPGA盡快地進入市場并得以認可，除了自身修煉內(nèi)功之外，還需要國內(nèi)市場持續(xù)關注國產(chǎn)FPGA的研發(fā)進度，帶動整個使用國產(chǎn)FPGA的生態(tài)鏈發(fā)展。陳雷也指出，應借助國家重大科技專項推動國產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式構建完善的國內(nèi)FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，合適地引入資本市場推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加強整機系統(tǒng)企業(yè)對國產(chǎn)FPGA產(chǎn)業(yè)的牽引作用，力爭以點帶面，尋求合適的特殊領域應用環(huán)境作為國產(chǎn)FPGA的市場切入點，形成中國FPGA的核心競爭力。