FPGA應用觸角延伸，走向平臺化

    FPGA的觸角愈來(lái)愈深入各應用領(lǐng)域，新開(kāi)始的ASIC 設計項目已下降到每年 2000 個(gè)以下，而新開(kāi)始的FPGA 設計已經(jīng)增長(cháng)到每年 80000 個(gè)以上。很明顯的趨勢是：未來(lái)FPGA廠(chǎng)商將從消費類(lèi)和汽車(chē)電子領(lǐng)域獲得可觀(guān)的市場(chǎng)份額；基于FPGA的DSP功能設計將迅速增加；結構化ASIC以及平臺化FPGA器件正在改變固有的設計模式。

低成本FPGA
    ASIC掩膜成本的上升使FPGA在低于50萬(wàn)片的中小批量項目中更具優(yōu)勢。如今量產(chǎn)型低成本FPGA，例如Altera的Cyclone系列和Xilinx的Spartan系列價(jià)格越來(lái)越低，FPGA在很多成本敏感的市場(chǎng)上與ASIC平分秋色，未來(lái)幾年汽車(chē)和消費類(lèi)電子將是FPGA最期待的應用所在。
去年3月Xilinx發(fā)布了Spartan-3E系列，成本比Spartan剛推出時(shí)下降了30倍，而且售價(jià)不到兩美元。Xilinx中國/香港區經(jīng)理陸紹強表示，去年底，最新的五款Spartan-3E系列已經(jīng)全部量產(chǎn)，從提供樣片到完全量產(chǎn)只花了9個(gè)月時(shí)間。Spartan系列的累計收入超過(guò)了13億美元，現在占到Xilinx季度銷(xiāo)售額的24%以上。Spartan-3E可以被看作是消費電子用途的FPGA， Xilinx正在加大向機頂盒、DVD播放器、PDP顯示器和HDTV等中等批量、消費類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)的交付數量。
此外，Xilinx新推出了采用90nm工藝的Spartan-3E XA車(chē)用FPGA產(chǎn)品線(xiàn)，進(jìn)一步降低了每系統門(mén)成本，Spartan-3E和Spartan-3E XA具有適合消費類(lèi)和汽車(chē)電子產(chǎn)品的友好特征，例如，支持通用I/O標準，包括PCI 64/66、PCI-X 100、LVD-FPD連接、RSDS、mini-LVDS和DRAM接口等。例如Spartan-3E所支持的最小LVDS和RSDS標準允許工程師在視頻設計中去掉分立的驅動(dòng)器。
    Altera在2002年底推出了低成本FPGA的主打產(chǎn)品—Cyclone系列， 隨后又推出了CycloneⅡ系列，容量比第一代產(chǎn)品增大了三倍以上，速度提升了75%。Cyclone系列FPGA出貨量在短短的兩年多時(shí)間內已超過(guò)1,000萬(wàn)個(gè)，成為該公司歷史上增長(cháng)最快的產(chǎn)品，其中至少一半進(jìn)入了消費類(lèi)電子領(lǐng)域。
    Altera對汽車(chē)市場(chǎng)也寄予厚望，Altera亞太區市場(chǎng)總監梁樂(lè )觀(guān)認為，該市場(chǎng)將在2007年進(jìn)入全面電子化，特別是駕駛倉控制的電子化會(huì )對系統芯片的需求大幅增加，CycloneⅡ組合NiosⅡ系列嵌入式處理器，能夠實(shí)現完整的可編程系統芯片(SOPC)功能，ASIC和ASSP廠(chǎng)商不會(huì )馬上提供相應的產(chǎn)品，這是向汽車(chē)廠(chǎng)商推廣SOPC的大好機會(huì )。
    Actel的ProASIC3系列是基于閃存的FPGA，Actel公司產(chǎn)品事務(wù)總監Martin Mason表示，ProASIC3 系列可以具有更好的安全性，同時(shí)擁有上電即用的優(yōu)勢，因此需要的板級器件很少，可以降低消費類(lèi)產(chǎn)品的整體系統成本。對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，基于閃存的FPGA擁有極佳的熱性能指標，可靠性也更高。
    Lattice剛剛推出了低成本的LatticeECP2系列FPGA，在大批量的情況下，價(jià)格降到每1000查找表(LUT)低于0.50美元。LatticeECP2增加了防止非法復制的措施，器件有片上非易失密鑰存儲器和解密電路，能用唯一的用戶(hù)密鑰對128位AES加密位流解密。

結構化ASIC
    結構化ASIC的設計正在興起，這種產(chǎn)品可以看作是FPGA與標準單元ASIC整合的折衷方案，其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現ASIC的性能，開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了6到9個(gè)月，成本只有FPGA原型的十分之一。Altera的HardCopy和HardCopy II 是結構化ASIC的典型代表。用戶(hù)可以采用Stratix II FPGA進(jìn)行原型設計和測試，然后再移植到HardCopy II器件上。
    HardCopy瞄準的目標市場(chǎng)包括顯示、通信和存儲等等，目前基于HardCopy的設計正在持續增長(cháng)中，Altera希望可以滿(mǎn)足每年至少100次投片試產(chǎn)的需求。
但是，其它FPGA供應商并不認同結構化ASIC的方案，例如，Xilinx無(wú)意進(jìn)入結構化 ASIC 市場(chǎng)，相反，Xilinx提供一種稱(chēng)為 EasyPath的客戶(hù)專(zhuān)用FPGA。EasyPath FPGA類(lèi)似于基礎級FPGA，只用少量金屬掩膜就可以實(shí)現編程。在FPGA按照Xilinx專(zhuān)利的測試方法完成測試之后，仍然可以修改I/O和查找表。
    一旦客戶(hù)認為他們的設計已經(jīng)確定并且不再需要FPGA的完全可編程性，客戶(hù)就可使用EasyPath FPGA導入量產(chǎn)，不需要從FPGA原型到ASIC或結構化 ASIC的轉換過(guò)程，沒(méi)有轉換差異或芯片差異。EasyPath FPGA可支持 20K 到200K門(mén)邏輯單元，從設計轉到批量生產(chǎn)只需要兩個(gè)月左右的時(shí)間。
    Martin Mason認為，如果將整體項目成本納入考慮范圍，Actel的ProASIC3 系列便能與結構化ASIC一爭長(cháng)短。ProASIC3器件可于系統內編程，且是唯一能支持軟ARM7內核的FPGA。
同樣為了爭奪結構化ASIC的市場(chǎng)，Lattice在最新的LatticeSC FPGA中增加了低成本優(yōu)化(MACO)的掩膜陣列，每一片LatticeSC FPGA中嵌入了12個(gè)結構化的ASIC模塊，稱(chēng)為MACO模塊。每個(gè)MACO模塊大約有5萬(wàn)個(gè)ASIC門(mén)可用來(lái)實(shí)現IP內核。Lattice正在計劃推出一系列LatticeSC器件，這些器件將包含預制的、基于MACO模塊的多種高速通信協(xié)議和存儲控制IP內核。
可見(jiàn)，結構化ASIC和客戶(hù)專(zhuān)用FPGA都是降低成本的可取方法，有利于FPGA擴大應用規模。

基于FPGA的DSP方案
    在FPGA中包含DSP的設計變得越來(lái)越普遍，FPGA通過(guò)加速DSP算法的關(guān)鍵部分，可以補充傳統DSP處理器的不足。
    特別是多媒體音視頻和高速數字通信這兩個(gè)領(lǐng)域對數字信號處理能力的需求提升很快，諸如新出現的H.264編解碼算法以及WiMAX寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，大都需要多通道實(shí)時(shí)處理能力和高復雜性算法，這些標準或算法的演進(jìn)也給了FPGA用武之地，FPGA可以用作DSP的預處理器或協(xié)處理器，分擔DSP的處理任務(wù)。
    Altera率先在StratixⅡ中添加了嵌入式DSP模塊，StratixⅡ包含的專(zhuān)用乘法器可以加快乘累加操作的速度，這對許多DSP系統設計來(lái)說(shuō)非常必要。另外StratixⅡ的邏輯單元也能夠實(shí)現乘法器和DSP功能。CycloneⅡ 器件內部的嵌入式乘法器更適合低成本的DSP應用，Altera也同樣提供MegaCore系列DSP IP 和DSP Builder開(kāi)發(fā)工具。
    Xilinx去年在DSP方面的資金投入增加了30~40%，特別制定了XtremeDSP路線(xiàn)圖，最初的目標市場(chǎng)是數字通信、多媒體、視頻和成像(MVI)以及防御系統領(lǐng)域，它們的總和構成了超過(guò)80%的高性能DSP市場(chǎng)。 XtremeDSP計劃中的器件包括Xilinx較早之前推出的具有DSP功能和嵌入式乘法器的VirtexⅡ和VirtexⅡPro FPGA，2004年推出的低成本Spartan-3器件也包含了嵌入式乘法器，適合在大批量的場(chǎng)合用做DSP協(xié)處理器。最新的Virtex-4 SX FPGA專(zhuān)為DSP功能做了優(yōu)化，性能比之前的VirtexⅡPro FPGA超出兩倍多，功耗只有VirtexⅡ Pro FPGA的1/7。Xilinx表示今后將注重DSP架構器件在性能、成本以及應用方面的優(yōu)化。 
    Xilinx已經(jīng)推出了XtremeDSP MVI解決方案的第一款產(chǎn)品，這個(gè)全新的視頻協(xié)處理套件的子卡基于Virtex-4 SX35 FPGA，每秒可處理77GMAC，可以幫助擴展TI DM642處理器的圖象增強以及視頻編解碼能力，同時(shí)Xilinx也在不斷更新針對DSP算法的軟件工具和DSP IP庫。

平臺化FPGA
    Xilinx推出的第三代Virtex器件Virtex II Pro系列引入了平臺化FPGA的概念，集成了可編程邏輯、存儲器、時(shí)鐘資源以及PowerPC處理器和千兆位高速串行I/O。第四代的90nm工藝的 Virtex-4多平臺FPGA的3個(gè)系列器件分別增強了邏輯、信號處理、高速串行連接和嵌入式處理的性能，與上一代器件相比性能提升了兩倍，功耗降低了50%。
    除了集成軟或硬處理器內核以及DSP功能，平臺化FPGA的顯著(zhù)變化是增加了對高速串行連接的支持。例如集成622Mbps~10.3125Gbps串行收發(fā)器的Xilinx Virtex-4 FX60就支持目前所有流行的串行協(xié)議標準，包括PCI Express、串行RapidIO、千兆以太網(wǎng)和光纖信道。
    Altera發(fā)布了第三代帶有嵌入式收發(fā)器的StratixⅡGX系列FPGA，Stratix II GX串行收發(fā)器的工作速率在622Mbps~6.375Gbps之間，同樣支持多種協(xié)議標準。Altera將Stratix II GX定位在6.375Gbps而不是10Gbps，對此Altera的觀(guān)點(diǎn)是，目前單通道收發(fā)器協(xié)議要求的最佳范圍是1Gbps~5Gbps，在今后三年內將變成3.125Gbps~6.375Gbps，只有很少的用戶(hù)會(huì )實(shí)際使用到10Gbps的速率，但是實(shí)現10Gbps的性能需要在管芯、功耗和信號完整性上付出代價(jià)。因此對于那些少量應用10Gbps的場(chǎng)合，可以同時(shí)采用幾個(gè)高速收發(fā)器。
    Martin Mason表示，Actel的興趣在模擬和混合信號領(lǐng)域，為此，Actel于去年底推出了Fusion系列FPGA，這是一種能將混合信號的模擬功能、閃存以及FPGA結構集成在一起的單片可編程系統芯片。
    Fusion的硬件模塊包括模擬IP和閃存。其中，模擬IP可以根據具體的應用進(jìn)行設置；其次是軟核，包括可配置的MCU(可以是ARM內核或者是8051)。在物理結構中，最有特色的是溝通各種外設的"融合主干"總線(xiàn)，連接了模擬IP、閃存、FPGA架構中的外設、系統應用以及MCU。 
    Martin Mason強調，Fusion的獨特之處在于將可編程邏輯帶入了目前只能采用分立模擬元件和混合信號ASIC的應用領(lǐng)域，例如電源管理、智能電池充電、時(shí)鐘生成和管理及電機控制等等，而Fusion器件在成本和靈活性方面的優(yōu)勢非常突出。相信平臺化的產(chǎn)品也是未來(lái)FPGA發(fā)展的趨勢所至。