FPGA或将成为电子系统制造商救命利器

      根据赛灵思的分析，2007年可编程逻辑芯片市场约为36亿美元，2012年将快速增长到140亿美元。推动这一巨幅增长的因素来自以下三个方面：智能视频分析和监控、更高带宽网络通信、高清视频广播、HDTV和互联网音视频流传输等数字多媒体融合市场的需求、FPGA的性能、成本、功耗和容量已经接近甚至超过此前ASIC或ASSP的水平、以及当前金融和经济危机导致的快速、量小和多变的客户需求趋势。

      今年二月初赛灵思（Xilinx）为庆祝其新LOGO诞生和25周年生辰而在北京举办的庆典活动上，赛灵思新任CEO Moshe Gavrielov在其致贺视频片断中用短短的四个英文单词“Do more with less”就非常到位地概括了当前全球设备制造业在当前经济危机下的开发投入指导思想。他指出，由于风险管理以及适应市场动态变化形势的能力对于企业生存已变得越来越关键，因此对于电子系统生产商来说，硬件可编程能力已经必不可少。可编程逻辑已是大势所趋，而且势不可挡。

      的确，从理论上讲，可编程硬件的可配置特点不仅具备快速实现产品差异化和快速上市等传统优点，而且当生产批量达不到足以支持开发专用IC成本的时候还可以加快投资回报速度。赛灵思资深副总裁汤立人（Vincent）表示：“今天开发一颗ASIC和ASSP所需的成本越来越庞大，如果你采用65nm工艺，那么设计成本+掩模费+良率改善费大约是3千4百万美元，如果你找不到一个3亿美元规模的应用市场，那么你很难收回成本。而如果你想采用更先进的32nm工艺，总开发成本将上升到6千1百万美元，你所需要找到的最小应用市场大约为5亿美元。”

      他认为，在当前经济和金融形势同时恶化的情况下，最新Virtex-6和Spartan-6 FPGA技术的进展已经将FPGA推到了一个应用市场的爆炸性增长点，因为无论是用来完成关键处理功能还是直接作为系统核心，最新FPGA器件所提供的性能、成本、功耗和容量都已经接近甚至超过了当前最先进的ASIC或ASSP的水平。

      汤立人强调指出：“自从25年之前赛灵思发明FPGA以来，今天我们终于看到，市场对可编程逻辑器件需求的迫切性是如此之大，以至于它已经成为一种不可阻挡的应用趋势。而且无论从市场推动力、创新资金约束还是技术创新的角度来看，我们都正处在这样的一个 革 命 性转折点上。”

      市场推动力主要来自以下三个方面：消费市场需求的迅速变化、市场对超高速连接的需求、以及快速变化的细分市场。首先，今天的市场已变成是一个消费者驱动的市场，而目前消费者的需求变化相当之快，如每半年甚至每3个月消费者就希望换一部手机，或换一部功能更加强大的MP3。其次，消费者希望在任意时间和任意地点都能够以一种非常高的速度相互连接起来，无论是图片、数据、视频还是音频。最后，正是因为这种快速变化着的消费者需求，使得我们所处的市场出现不断的变化，变得越来越细分和专业性，以前生产终端产品都是追求海量或大批量的生产，但是现在不断变化、不断细分和更加专业化的市场，不仅导致生产批量的下降，而且导致产品的生命周期越来越短。这也意味着无论半导体公司还是系统制造商，都必须越来越快地把他们的产品推向市场。而FPGA平台的高性能和灵活性恰好是满足上述市场需求的最佳选择。

      从创新资金面上来看，目前的金融和经济危机形势让所有的投资人都开始重新思考和审视投资项目的回报率，仔细分析自己投资的每一个美元是否能够带来应有的回报。首先，美国经济已经正式宣布进入衰退期，全球最大消费市场需求的下降使得全球的半导体供应商和系统制造商都必须重新论证自己的新产品开发计划、融资问题、及其投资回报率。之所以这些投资者要对自己的投资项目进行重新的思考，是因为目前ASIC或ASSP产品的开发成本已变得相当的高。例如，开发45nm ASSP的成本至少需要6000万美金，如果继续向32nm节点发展，开发成本将需要1亿美元。这么高的投入即便是那些第一流的大品牌半导体供应商也不得不在对新产品进行立项时变得非常的谨慎，更不用说那些第二流的IC供应商和初创公司了，因为他们将碰到更大的融资难题。

      对产业链后端的系统制造商而言，目前如此不利的经济态势也为他们带来了很多不利的影响。首先，这些系统厂商不得不降低自己在产品开发方面的成本，挖空心思用更少的钱做更多的事情，而且不能随意对回报不大肯定的研发项目进行投资。但与此同时，他们又必须增强自己的核心竞争力，使自己的产品具备差异化特性。因此在目前和未来的一段特定时间内，对于那些存在一定市场增长潜力、但需求量又不是太大或很肯定的很多细分应用市场，ASIC或ASSP供应商肯定不愿意再花钱投资了，而FPGA恰好可以满足这类系统应用客户对性能、成本和灵活性的苛刻要求。这意味著传统ASIC/ASSP的市场应用空间将大大压缩，而FPGA的应用市场版图则大大扩展，这就为FPGA应用空间的大幅增长奠定了基础。

      产品和技术复杂性不断提高，同时开发周期却越来越短，预算也更为紧张。因此，要做到真正的灵活应变，开发团队还需要新的设计方法和工具。 赛灵思公司 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA系列的推出为“目标设计平台”（targeted design platforms）奠定了硬件基础，同时也是赛灵思公司致力于为设计小组提供强大开发工具和方法支持而努力的成果。新的平台将进一步加快可编程逻辑在一系列终端市场中的应用速度，这些终端市场包括汽车、消费和有线/无线通信，以及航空航天和国防领域。

      杨飞指出，多数系统制造商在产品开发成本、工程预算都会有一个上限，尽管应用变得越来越复杂，但预算不会与其复杂度成正比增加，如何利用有限的资源解决日益增加的复杂性问题将是厂商们面临的巨大挑战。另外，由于市场瞬息万变，要求产品开发周期越来越越短，技术更新更加迅速，如果采用ASIC产品将无法适应这些要求，而FPGA的灵活性则可以在此得以发挥。

      “可编程技术势在必行。”杨飞说道，“如果采用ASIC，研发投入周期可能要两到三年，而FPGA有很多标准模块可以提供给用户。通过这些标准的平台，在6~12个月就可以推出新产品并大规模上市。尤其是在工艺不断演进的时候，厂商并不需要花时间了解怎样在65nm、45nm还是40nm布局这些技术细节，需要做的仅仅是创新，把新的IP、技术、概念实现。即使市场需求有变化，FPGA也可以随时修改，迅速满足当前的应用要求。这不仅对厂商来说极具优势，而且还有助于延长产品生命周期。”目前FPGA市场的容量正在迅速扩大，赛灵思希望能从目前的20亿美元市场向100亿美元领域扩展。[page]

更广泛的FPGA应用模式

      最近由电子系统设计（EE Times）杂志的 Piper Jaffray以及Kirtland 空军 基 地 FPGA任务保证中心（FPGA Mission Assurance Center）进行的最新研究证实了业界人士的直觉判断： 门阵列、结构化ASIC和基于单元的ASIC产品应用已经进入停滞期，而在所有类别中FPGA替代这些产品的情况都很普遍。 门阵列产品的趋势特别明显，65%的受调查者认为门阵列的使用将保持稳定，而12.8%的人则认为会大大减少。与此相比，72%以上的人认为FPGA的使用将大幅增加，仅有27%的人认为将会保持稳定。 没有人认为FPGA的使用会减少。

      过去几年时间里，赛灵思已经从全球市场发展过程中感受到了这一趋势，公司在工业、消费以及汽车等市场的营收均有大幅增长。 同时，FPGA在中国和欧洲被更广泛地应用于下一代无线通信系统之中。2006年开始推出的Virtex-5 FPGA系列正在成为赛灵思公司销售额最大的Virtex系列。

      系统设计人员，无论是从事消费产品还是工业控制领域的应用设计，都报告说正在考虑将FPGA用于多种应用之中。这部分是由于开发和生产专用IC的成本不断飙升。 现在，FPGA已经从最初主要应用于原型设计逐渐延伸到最终产品的整个生命周期。 对于专用IC开发来说，其成本回收需要销售大量的器件才可接受。 不然，相对较高的单件成本， FPGA器件与专用IC之间的成本差异就不是那么重要了。

      随着FPGA被应用于新的基带无线和图像处理系统，使用FPGA的工程师 群 体 也在扩大。 20世纪90年代，FPGA的用户 群 体 几乎主要由硬件设计师构成。 今天，丰富的IP内核和用户友好的EDA工具使得系统集 成 人 员、DSP开发人员，甚至嵌入式软件工程师采用FPGA进行创新变得更为容易。 在FPGA用户方面，Piper-Jaffray的研究表明73%的用户在从事嵌入式设计。调查过程中74%的人在其从事的项目中采用了嵌入式处理器。硬内核处理器，特别是Power 架构的嵌入式处理器，处于领先地位。同时赛灵思Microblaze 处理器这样的可综合软内核处理器也在快速发展。

      没有哪个领域能够比航空航天和国防领域使用可编程逻辑更为广泛了。 军用合同商中转向FPGA解决方案的速度如此之快，数量如此之多，以致于空军研究实验室（Air Force Research Labs）在新墨西哥的Kirtland空军 基 地 专门新成立了FPGA任务保证中心（FPGA Mission Assurance Center ）。 推动主承包商和分承包商们采用FPGA的因素包括：更大成本竞争力、军用航空航天系统标准的不断演化以及安全、空间通信和航空电子学对可重新编程能力的需要。 尽管Piper-Jaffray调查中回答明年将会雇佣更多FPGA设计人员的比例达到42%，但航空航天和国防行业的这一数字却达到了48%。

可编程技术势在必行

      在2001年的经济低迷时期，产品开发的趋势就很普遍。如今的2008-2009年，面对经济和商业形势的双重危机，这种趋势更加变得势不可挡。 2009年每家企业最熟悉的口头禅就是 “少花钱多办事”，这意味着员工数量减少、预算紧张、市场窗口缩小以及产品生命周期更短。 同时，企业首席财务官（CFO）更强调降低风险。这也意味着企业在财务上更为保守，必须更为小心地限制在新市场中的投资。 此外，要求新产品开发人员还必须要不断增加亮点，例如新产品，即使是功能更丰富了，也必须在成本和功耗方面展示出更多优势。 面对更强烈的产品差异化需求和更为紧张的预算，设计人员看起来真有点无所适从。

      现在，转向可编程解决方案的时机已经成熟。 在FPGA行业的早期，可编程逻辑主要用于系统外围，做为I/O系统或第二层控制子系统的胶合连接逻辑。 今天，FPGA已经应用于系统的核心。 当FPGA被用于中心控制或数字信号处理（DSP）任务时，所有的系统差异都可在FPGA内实现。 即使是FPGA仅仅作为标准CPU或DSP的配角时，产品设计的许多亮点可能也是通过FPGA实现的，因为FPGA能够大幅提升性能和功能。 无论是在哪种情况下，FPGA的角色都在改变系统中IC设计的方式。

      在当前企业普遍面临财务困难的时候，转向FPGA在财政上的可行性更大。 现在的工程预算很难平衡传统专用IC设计流程不断增长的沉没工程（NRE）成本。 FPGA提供了比任何专用IC设计方式更低的设计成本。

      事实上，当赛灵思CEO Moshe Gavrielov说到“可编程技术势在必行”（the programmable imperative）的时候，他实际的含义是指当前的形势几乎强制要求从传统ASIC转移到可编程解决方案。 对于传统门阵列和基于单元的ASIC来说，随着每个工艺节点的演进，其NRE成本都飞速增长。 例如，从90nm 发展到 65nm 工艺，传统ASIC设计的前期成本大幅提高。 行业研究企业iSuppli 报告说传统ASIC营收在整体逻辑IC营收中的比例从2000年的32%下降到了2008年的20%。 在当前的金融形势下，甚至ASSP的开发商也面临巨大的压力，特别是当特定器件所针对的终端市场也形势不妙的情况下更是如此。

      当然，传统ASIC并不会明天就消失。 ASIC面向的是产量极高的稳定产品。 然而，单靠最终产品数量的增长，即使是批量达到数万甚至数百万，也无法负担ASIC掩膜成本。从90nm到32nm，ASIC掩膜成本从约100万美元飙升到了约1200万美元。 对于EDA工具供应商来说，为了跟上工艺技术的发展需要投入更多研发资源，因此服务于专用架构的EDA工具价格也上升很快。 另一方面，现在的FPGA使得系统设计企业或部门能够不必直接负担IC开发的成本就可以充分利用先进的工艺技术所带来的优点。[page]

      FPGA的成本优势并不限于原始设计。在FPGA中转换和重新实现过时的ASSP产品，FPGA同样显示出其成本优势。 将现有设计或升级后的设计转换为FPGA，开发人员将会发现随工艺节点的发展，产品的更新换代更容易。 采用可编程架构，通过增加新的功能能够大幅延长最终产品的实际货贺寿命。

      特别是在消费产品等快速变化的市场中，技术驱动以及通用接口或处理标准技术的应用非常明显。在这些市场中采用FPGA能够更好地体现出FPGA的另一个优势。 尽管在某些基于阵列和单元的技术中也有可重用IP内核，但其更适用于FPGA产品，并且更容易扩展应用于不同产品线。 这样系统设计部门一方面可以解决不断攀升的设计复杂性难题，同时还可以为系列产品中的每种产品都提供丰富的特色。

      市场需求的快速变化也进一步突破了PFGA的实力和优势。 当前的时代，其标志就是产品生命周期大大缩短，市场窗口更为窄小。而与传统ASIC相比，FPGA产品需要的开发时间更短。 例如，在消费领域，平均产品寿命原来是3到5年，而现在缩短到了一年甚至更短。 甚至在通信、军事航天等垂直市场，此前长达20年的典型产品生命周期现在也缩短到10年或更短。 易变的终端用户兴趣和需求所带来的挑战也使得FPGA的可重新编程能力更受设计人员青睐。FPGA的可重新编程能力意味着能够在产品生命周期过程中对其进行修改。

      事实上，消费市场产品（如LCD显示和机顶盒等）开发的不确定性几乎使得FPGA成为产品中必需使用的器件。 除了焦点 群 体 和一对一消费调查研究以外，系统生产商发现很难提前预测6个月或6年后的产品升级要求。 因此，许多生产商开发产品时都是基于通用的低成本FPGA解决方案也开发一组核心功能。 利用FPGA作为实现功能差异化（如协议支持和图像处理）的关键单元，生产商现在拥有了更大的灵活性，能够在开发过程中进行修改并随时满足不断出现的新市场需求。

赛灵思势在必行

      通过新推出的Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA系列，赛灵思公司帮助设计人员解决产品差异化势在必行的要求，帮助他们在降低企业风险的同时， 更高效地工作。 新推出的这些产品充分发挥了先进半导体技术的性能和成本优点，可帮助系统设计人员满足全球市场对更高带宽和更高性能永无止境的追求。

      赛灵思发现，FPGA扩展进入新的垂直市场的关键是有适用的目标设计平台（targeted design platforms）。 这些平台并不仅仅是硬件开发套件，而是包括了由赛灵思公司及其第三方合作伙伴网络所开发的第三方IP内核，以及软件套件。因此能够大大方便开发过程。 赛灵思FPGA 是目标设计平台的核心。其中新推出的Virtex-6 和 Spartan-6器件容量比前一代产品翻了一翻，系统成本可降低多达50%，功耗则可降低多达65%。 然而，只有将硬件和软件及IP完美地结合起来，设计人员才能够在垂直市场上充分体现基于FPGA的系统开发所能够提供的全面价值，同时才能够集中精力开发从终端用户角度来看真正能够体现产品差异的功能。

      因此，如果希望在采用FPGA架构进行设计时一次取得成功，目标设计平台就变得至关重要。 新的目标设计平台开发环境包括： 1）基本平台，包括FPGA器件、基本开发板和经过认证的设计环境；2）面向领域优化的平台，增加了专门用于嵌入式处理、DSP或逻辑/连接功能的软件和子卡；以及3）市场专用平台，包括针对汽车、视频和通信等专门领域的接口、IP内核和软件。

      设计环境本身的改进以及“可插接IP”（“socketable IP”）策略的实施使得这些平台能够保证在实际设计应用中顺利实现从设计概念到片上系统（SoC）实现之间的整个流程。 目标设计平台以及Virtex-6 和 Spartan-6系列FPGA在架构方面的改进还进一步支持了以处理器为中心（processor-centric）的架构，在FPGA中以SoC方式实现处理器功能。

      赛灵思坚信SoC是未来硬件实现的标准方式，能够实现更高的器件集成、更高的速度、更小的封装和测试成本以及更高的系统可靠性。 相应地，这也会导致最终产品总体成本更低。 在单个器件中集成处理器和外围逻辑还进一步简化了板级布局，并减少了高速信号板上走线的数量。 采用以处理器为中心的SoC进行设计可提高总体设计的速度，同时更为灵活的子系统可方便设计修改和升级。

      在FPGA供应商中，赛灵思占有主导性的市场份额，其较高的客户满意度也保证了其市场主导地位不会被蚕蚀。 在前面引述的Piper Jaffray/EE Times研究中，赛灵思几乎在每个类别中用户满意度都处于领先地位，通常比最近的竞争厂商高20%甚至更多。 在调查中，设计人员认为“可靠性”是选择FPGA时的最重要因素，其次依次是上市时间、供应商支持，EDA工具质量、设计失败和验证失败的（低）风险等。 调查结果显示赛灵思公司在所有这些指标方面都是最高的。

      在密度和性能竞赛中，赛灵思的技术发展路线保证新一代FPGA将基于40nm工艺，能够为设计人员提供工艺尺寸更小的产品和更丰富的功能IP内核。 但这仅仅是整个故事的一半。 赛灵思坚信未来10年FPGA将是服务于半定制（semi-custom）应用的最佳可编程平台。 FPGA的角色是可编程技术势在必行的核心，而赛灵思Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA更是为电子系统生产商提供所需要的平台和设计方法的核心。这些产品和设计平台将可帮助电子系统生产商在更具挑战性的商业和技术环境中保持竞争优势。