平臺化ASIC迅速打開(kāi)市場(chǎng)

摘   要：平臺化專(zhuān)用集成電路( Platform ASIC)是一類(lèi)新推出的產(chǎn)品，其應用目標是減少上市時(shí)間和降低設計成本。從日漸增多的相應新設計可以看出，平臺化ASIC前景一片光明。

　　戰略規劃方面的前提假定

　　專(zhuān)用集成電路平臺將流行開(kāi)來(lái)，在2007年以前，它將使每年新ASIC設計項目啟動(dòng)數量升至1000項以上(0.8的概率)。帶處理器核的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)在21世紀的頭10年末將占到全部FPGA設計數的1/3以上(0.7的概率)。

　　平臺化設計：技術(shù)自然發(fā)展的結果

　　平臺化ASIC是從以往推出的ASIC產(chǎn)品自然演化而成的一種技術(shù)。業(yè)界的技術(shù)平臺已經(jīng)從門(mén)演化至單元(cell)、到多核、再到今天的平臺，在平臺技術(shù)中，幾乎一半的芯片都已經(jīng)預先確定而且經(jīng)過(guò)了驗證，構成一個(gè)很大的組成模塊。它是微電子行業(yè)針對縮短上市時(shí)間、降低設計成本等要求而給出的解決方案，其方法正是設法實(shí)現高水平的設計復用。

　　隨著(zhù)工藝技術(shù)從0.18mm轉向0.13mm和90nm，ASIC設計成本已經(jīng)比原先的水平增加了一倍以上，這使得大批用戶(hù)放棄了傳統的ASIC產(chǎn)品。傳統的、基于單元的ASIC，其總設計成本，包括掩膜成本和工程開(kāi)發(fā)時(shí)間在內，從1000萬(wàn)美元上升到了1500萬(wàn)美元。因此，如果要讓ASIC技術(shù)繼續在小型和中規模系統中找到應用的話(huà)，就必須采取一定的措施。ASIC供應商已經(jīng)給出了這一問(wèn)題的答案：一族稱(chēng)為平臺化ASIC的新型ASIC產(chǎn)品，其中的一些產(chǎn)品有時(shí)亦稱(chēng)為結構化ASIC。平臺化ASIC極大地降低了設計成本，使之能作為一種經(jīng)濟的解決方案，應用于器件收入僅有150萬(wàn)美元的設計中。

　　平臺化ASIC市場(chǎng)填補了傳統的FPGA和基于單元的IC之間的空白，FPGA公司也希望從這一新興的市場(chǎng)上分到自己的一份，已經(jīng)針對它推出了為數眾多的新產(chǎn)品。平臺化ASIC現在處于產(chǎn)品推廣的早期階段，正等待市場(chǎng)的接受，但這些產(chǎn)品的未來(lái)一片光明，因為對于能夠縮短上市時(shí)間和降低設計成本的解決方案來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)時(shí)機已經(jīng)成熟。

　　產(chǎn)品的界定

　　ASIC平臺，是一種通過(guò)將預先定義好的知識產(chǎn)權(IP)嵌入器件的方法、使得將近一半的芯片部分都可以 預先確定下來(lái)而且經(jīng)過(guò)驗證的產(chǎn)品形式——用戶(hù)只需對器件的一部分進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)即可。Gartner  Dataquest 按產(chǎn)品類(lèi)型將市場(chǎng)分為3類(lèi)：

　　雖然現在業(yè)內采用“結構化ASIC”(structured ASIC)一詞，但我們相信它的外延過(guò)于狹隘，主要在論及基于陣列的平臺產(chǎn)品時(shí)才使用。我們更愿意使用“平臺化ASIC”一詞，來(lái)涵蓋基于陣列的平臺、基于單元加PLD核的平臺和基于單元的平臺等3種產(chǎn)品。

　　產(chǎn)品分析

　　每一種類(lèi)型的產(chǎn)品在市場(chǎng)上都有其價(jià)值，最終將由用戶(hù)來(lái)對每一種產(chǎn)品進(jìn)行評估，并選出最符合其應用具體要求的產(chǎn)品。在選擇產(chǎn)品時(shí)，需要在很多因素間進(jìn)行折衷取舍，包括性能、裸片尺寸、設計成本、上市時(shí)間和解決方案的總成本等，具體的方式取決于應用涉及的產(chǎn)品個(gè)數以及總價(jià)值。例如，基于陣列的平臺是針對整個(gè)生存期中收入可達100萬(wàn)到1500萬(wàn)美元的設計?；趩卧钠脚_則瞄準整個(gè)生存期中收入在1500萬(wàn)以上的高性能設計。

　　基于陣列的平臺

　　基于陣列的平臺這一概念出現已經(jīng)有10多年了，一般被稱(chēng)為“嵌入式陣列”(embedded array)。LSI Logic是首家提供將大存儲器模塊嵌入到陣列中的嵌入式陣列產(chǎn)品的公司，但它們發(fā)現這種產(chǎn)品并不成功。問(wèn)題在于：每個(gè)客戶(hù)所希望的存儲器的大小并不相同，過(guò)大的、固定的存儲模塊將帶來(lái)額外開(kāi)銷(xiāo)過(guò)高的問(wèn)題，而這意味著(zhù)成本的上升。集成電路裸片面積，亦稱(chēng)為Silicon real estate，在10年前是決定器件成本的一個(gè)關(guān)鍵因素。時(shí)代已經(jīng)變了。隨著(zhù)今天器件復雜程度的增加，影響成本的關(guān)鍵無(wú)疑已經(jīng)變?yōu)樵O計工程師的薪水和掩膜版的費用。硅片制造的成本已大為降低——現在少量的未被使用的裸片面積幾乎是不值錢(qián)的。由于系統的壽命期更短，上市時(shí)間已經(jīng)愈發(fā)變得重要。

　　Gartner Dataquest相信，新一族基于陣列的平臺的市場(chǎng)已經(jīng)成熟。與基于單元的產(chǎn)品相比，基于陣列的平臺可以縮短上市時(shí)間，而且讓設計成本保持在相對較低的水平上，因為基于陣列的平臺所需的自定制掩膜版數目更少，而設計的復用程度大為提高。設計者只需對最終的金屬層掩膜版進(jìn)行自定制開(kāi)發(fā)，所以采用0.13mm技術(shù)時(shí)典型的掩膜版更換成本為10萬(wàn)美元，相比之下，基于單元的IC平臺的全套掩膜版更換成本高達65萬(wàn)美元。在90nm技術(shù)下，掩膜版費用的差異更大，因為一整套掩膜版的成本將超過(guò)130萬(wàn)美元。

　　很多廠(chǎng)商—包括LSI Logic、NEC、AMI Semiconductor、Fujitsu、Chip Express以及最近加入的Altera—已經(jīng)推出了基于陣列的平臺。LSI Logic是行動(dòng)最為積極的廠(chǎng)商之一，極力推銷(xiāo)其RapidChip產(chǎn)品。LSI Logic在吸引新設計方面取得了實(shí)在的成果。LSI Logic開(kāi)始是采用一個(gè)針對核心產(chǎn)品的更通用的平臺方法，現在已經(jīng)轉向專(zhuān)門(mén)針對具體應用的方法，產(chǎn)品一開(kāi)始針對存儲應用的產(chǎn)品，現在則針對通信和消費類(lèi)應用。很有可能出現的情況是，客戶(hù)開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的“定制平臺”，而讓某家廠(chǎng)商，如LSI Logic，來(lái)制造。NEC 也從基于陣列的平臺技術(shù)上獲取了成功。它躋身于為數不多的幾家既看到數量不少的新設計(報道的設計超過(guò)了20項)、又交付了數量頗多的產(chǎn)品且產(chǎn)量不斷上升的公司行列。

　　AMI推出了一項有趣的產(chǎn)品，它充分強調了“低成本”的特點(diǎn)。AMI用Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) 的0.18mm工藝制造圓片基礎，而設法在自己的加工廠(chǎng)中用0.25_m的金屬互聯(lián)按具體要求進(jìn)行加工。Fujitsu是較新進(jìn)入市場(chǎng)的一家供應商，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了類(lèi)似FPGA的一種獨特的體系結構，它的整個(gè)器件布滿(mǎn)了重復的標準邏輯模塊，客戶(hù)用最終的金屬掩膜層完成其互連。Chip Express力推與眾不同的、稱(chēng)為“信息攢錢(qián)罐(Memory Pig)”的產(chǎn)品，它帶有大量嵌入式內存。Altera是最新加入該市場(chǎng)的廠(chǎng)商，它帶來(lái)了HardCopy，該產(chǎn)品已經(jīng)廣泛引起了人們的很大興趣，而且基于它出現了多項設計。Altera實(shí)現了從其高密度Stratix FPGA產(chǎn)品直接到以掩膜進(jìn)行編程的部分的無(wú)縫過(guò)渡，從而可以免去可編程邏輯互聯(lián)，于是大大降低了器件的成本。

　　Gartner Dataquest 開(kāi)發(fā)出一種自下而上的基于陣列的平臺模型，它根據公司情況以及從典型的單項設計收入情況推算出的項目收入來(lái)估計從2002年到2007年的新設計數量。圖1示出了Gartner Dataquest關(guān)于陣列化平臺ASIC的全球總收入的預測。我們作如下假設：

　　基于單元加PLD核的平臺

　　人們很長(cháng)時(shí)間以來(lái)一直夢(mèng)想著(zhù)能將一個(gè)FPGA核嵌入到一個(gè)ASIC中，但從未曾實(shí)現。很多廠(chǎng)商都試圖實(shí)現這種產(chǎn)品，但沒(méi)有一家獲得過(guò)成功。LSI Logic和FPGA核供應商Adaptive Silicon是最早幾家力推這一概念并試圖開(kāi)發(fā)出相應產(chǎn)品的公司之一，但它們遇到了很多困難，最終退出了該市場(chǎng)，其他PLD核供應商，如Actel和Leopard Logic，也積極推銷(xiāo)這一概念并開(kāi)發(fā)出了產(chǎn)品，但它們發(fā)現自己也不能培育出市場(chǎng)，于是改變了它們的戰略發(fā)展進(jìn)程。

　　設計流程和成本是各家公司所遭遇的主要問(wèn)題。FPGA設計流程不同于A(yíng)SIC，LSI Logic等公司發(fā)現，將它們融為一體需要完成的工作量極為繁重。不過(guò)，在把第一代產(chǎn)品展示給潛在的客戶(hù)時(shí)，成本才是主要關(guān)心的問(wèn)題。FPGA核占據了過(guò)多的芯片面積，所以從成本上來(lái)說(shuō)是不可行的。

　　如今，3家公司正在開(kāi)發(fā)的有影響的產(chǎn)品只有兩種。雖然這些公司總共只有3家，不過(guò)它們可是大企業(yè)，不可等閑視之。IBM(領(lǐng)先的ASIC供應商)和Xilinx(領(lǐng)先的FPGA供應商)已經(jīng)聯(lián)手開(kāi)發(fā)了一件采用90nm技術(shù)的產(chǎn)品。STMicroelectroncis 是其中的第3家公司，在A(yíng)SIC和專(zhuān)用化標準產(chǎn)品(ASSP)銷(xiāo)售額總和方面是業(yè)界的領(lǐng)袖。這些公司有很好的機會(huì )去開(kāi)發(fā)基于單元加PLD核的平臺，將其塑造成規?？捎^(guān)的市場(chǎng)。由于它們是各自市場(chǎng)的領(lǐng)導者，IBM和Xilinx無(wú)疑對設計流程有很好的理解，因此很有可能它們能解決遇到的設計流程方面的問(wèn)題。至于主要的成本問(wèn)題，所有過(guò)去的嘗試都是基于0.13mm以上的工藝。IBM和Xilinx研究了成本問(wèn)題，相信它們能讓90nm和90nm以下的工藝標準成為一種經(jīng)濟的設計方案。系統公司正在探求這類(lèi)器件的多種用途，包括解決芯片－芯片間通信問(wèn)題、適應不斷變化的標準以及修正芯片體內的功能錯誤，而且最終器件也可以用于可定義的處理應用。

　　我們相信，在2004年將看到IBM/Xilinx最早的設計開(kāi)始進(jìn)行，而器件的生產(chǎn)將在2005年逐步上升。我們還有望看到從一個(gè)基于單元＋PLD核平臺的典型設計，它有3年的產(chǎn)品壽命期，每年的收入將達到約5~7百萬(wàn)美元。我們還預計設計數量將很少，但總的收入到2007年可達上億美元的水平。STMicroeletronics是市場(chǎng)上的“百搭牌”(不確定因素)。它不僅尚未正式發(fā)布一件產(chǎn)品，而且有證據表明它在印度有一支龐大的、正在開(kāi)發(fā)FPGA核的設計隊伍，據信這一核將在成本方面得到優(yōu)化，以嵌入到其ASIC產(chǎn)品中。STMicroelectronics已經(jīng)多次提到，它將開(kāi)發(fā)一種FPGA產(chǎn)品，該公司毫無(wú)疑問(wèn)為塑造一件成功的產(chǎn)品而撥出了R&D預算。時(shí)間將會(huì )揭開(kāi)答案。

　　基于單元的平臺技術(shù)

　　基于單元的平臺技術(shù)方面的新設計，雖然其預期的數量會(huì )很低，但每項設計的收入將高得驚人。大的系統公司正在設法生成各公司專(zhuān)有的平臺，這些平臺可以用于多方面的大批量市場(chǎng)，每項設計的收入將超過(guò)5000萬(wàn)美元。系統公司們可以獲得大量的、常常嵌入到器件中的功能，然后通過(guò)改變整套掩膜的辦法根據每項應用的情況對芯片的某一部分進(jìn)行專(zhuān)門(mén)定制。雖然這并不象基于陣列的平臺方法那樣節省掩膜版的費用，但它卻能以最小的芯片面積提供最高性能的產(chǎn)品。與傳統的基于單元的IC產(chǎn)品相比，它能縮短上市時(shí)間，降低總的設計費用，因為它的設計復用比例很高。

　　在提供基于單元的平臺技術(shù)的公司中，IBM和Texas Instruments是兩個(gè)范例，我們預計以后更多的公司亦將跟進(jìn)。IBM是基于單元的IC市場(chǎng)上的領(lǐng)導者，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)為“CCP”的基于單元的平臺。這種產(chǎn)品瞄準了客戶(hù)希望能縮短上市時(shí)間和降低設計成本的大批量和高性能產(chǎn)品市場(chǎng)。Texas Instruments提供了一種基于單元的、稱(chēng)為“OMAP”平臺產(chǎn)品，它針對無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)。種類(lèi)繁多的基于單元的平臺正在進(jìn)入市場(chǎng)，故這方面的市場(chǎng)形勢很難跟蹤。很大一部分傳統的基于單元式IC的市場(chǎng)將轉移到平臺化方法上來(lái)，因為它能保證更短的上市時(shí)間和更低的成本。

　　FPGA 搶奪平臺化ASIC的市場(chǎng)

　　FPGA供應商正在開(kāi)發(fā)新型的平臺產(chǎn)品，其目標是攫取一塊新興的平臺化ASIC(介于傳統的FPGA和基于單元的IC之間)所占據的市場(chǎng)。一種新型的FPGA平臺使用了嵌入式硬件處理器核，如PowerPC或ARM，另一種平臺則采用了軟處理器核，如Nios或MicroBlaze/PicoBlaze。

　　這一族新的FPGA平臺正在獲得大量新設計的支持，有潛力成為產(chǎn)業(yè)界的一支主要力量。我們相信，帶有軟件和硬件處理器核的FPGA，將在這個(gè)10年快結束前占到所有FPGA設計的1/3以上。雖然啟動(dòng)的FPGA設計的數目不少，但不應忘記的是，每項FPGA設計平均的價(jià)值并不與ASIC設計的相等。FPGA設計的價(jià)值要低得多，因為FPGA設計的相當大一部分只是用于樣機驗證方面，只會(huì )運行幾行代碼。

　　我們預計帶軟處理器核的FPGA將在該市場(chǎng)上占據最大的份額，占到2010年啟動(dòng)的FPGA平臺設計總數的3/4以上。帶軟處理器核的FPGA正將快速起步。Altera已經(jīng)出售了10,000套以上用于其軟處理器核Nios的的設計軟件包，Xilinx已經(jīng)出售了數千套用于其MicroBlaze/PicoBlaze軟處理器核的軟件包。

　　帶有嵌入式硬處理器核的FPGA也在業(yè)界取得了長(cháng)足進(jìn)步。這一市場(chǎng)上的兩個(gè)玩家是推出Virtex－II Pro的Xilinx和推出Excalibur的Altera。這兩家公司采取了不同的策略。Xilinx提供PowerPC，作為其嵌入式處理器核，將其放置于在每個(gè)Virtex－II Pro器件中，除了一款(最小的型號)。Altera提供的嵌入式 處理器核則是ARM ，只有客戶(hù)要求時(shí)，才將其包括進(jìn)去。

　　Xilinx顯然是采取了“推的戰略”——它無(wú)論客戶(hù)需要與否都提供PowerPC核，堅信用戶(hù)將發(fā)掘出該處理器的用處，最終采用它。Xilinx已經(jīng)開(kāi)始見(jiàn)到這種策略帶來(lái)的成功，圍繞它的新設計數開(kāi)始飆升。它已經(jīng)賣(mài)出約5,200套用于激活其Virtex器件中的PowerPC核或32bit MicroBlaze軟件核的設計軟件包。我們根據交付的評估板數量估計，這些軟件包的一半正用于PowerPC，另一半用于MicroBlaze。此外，我們相信，為PowerPC核購買(mǎi)的此類(lèi)軟件包中的一半左右，今年內至少要生成一項設計，使得該公司2003年有約1300項采用PowerPC核的新設計啟動(dòng)。不少領(lǐng)域，包括軍事/空間、通信(網(wǎng)絡(luò ))、數據處理(打印機和復印機)及工業(yè)等都開(kāi)始采用該產(chǎn)品。假設Xilinx在業(yè)界有約100,000個(gè)設計位置(這意味著(zhù)約2.6%的客戶(hù)有一套設計軟件可以激活PowerPC核)而1.3%已經(jīng)生成了一項設計。到目前為止，對于設計啟動(dòng)而言，考慮到該產(chǎn)品出現時(shí)間不長(cháng)，這無(wú)疑是相當可觀(guān)的成果，但對成功與否的真正衡量標準將是Xilinx能以多快的速度提高器件的收入。

　　Altera也看到其Excalibur產(chǎn)品得到了一定程度的應用，但應用的范圍還是小于Xilinx包括在Virtex－II Pro中的PowerPC，更遠小于A(yíng)ltera獲得極大成功的軟Nios 處理核。 我們相信 Altera的基于Excalibur的新設計啟動(dòng)數約為50項左右，而采用其N(xiāo)ios核的新啟動(dòng)的設計則有上千項。雖然Xilinx在其PowerPC/MicroBlaze Virtex產(chǎn)品方面提供了很多選擇，但Altera正在通過(guò)Nios和HardCopy(基于陣列的平臺)的推出予以還擊。

　　產(chǎn)品間的比較

　　每一種類(lèi)型的平臺化產(chǎn)品都給市場(chǎng)帶來(lái)了價(jià)值，對于特定的應用來(lái)說(shuō)，最好的選擇將取決于應用的特定的要求。表1對各種不同的平臺產(chǎn)品的功能進(jìn)行了比較。

　　平臺化ASIC產(chǎn)品的設計啟動(dòng)數

　　Gartner Dataquest 采用一個(gè)自下而上的模型來(lái)估計每年新啟動(dòng)的采用平臺化ASIC技術(shù)的設計的數量。我們進(jìn)行了不公開(kāi)的調查，了解各家公司在每種類(lèi)型的平臺上開(kāi)發(fā)的、新啟動(dòng)的設計有多少，然后將整個(gè)行業(yè)的調查數據進(jìn)行匯總。圖2示出，2003年將有超過(guò)100件的平臺化ASIC設計完成，而2004年將有近250件設計出現，我們預計2007年將會(huì )有1200件以上的設計出現。我們的前提假設如下：