FPGA：矢志不移 奔向未來(lái)

從小池塘里的大魚(yú)到大海里的小魚(yú)

"展望整個(gè)半導體市場(chǎng)，只有FPGA是黑暗中的亮點(diǎn)。"這句話(huà)雖然夸張，卻也不無(wú)道理。這兩年來(lái)，FPGA的價(jià)格、功耗在不斷降低，同時(shí)性能越來(lái)越高，加上它靈活的可編程特性，非常適合目前對成本、功耗、產(chǎn)品個(gè)性化和快速上市的苛刻要求。過(guò)去，FPGA以其復雜龐大的架構，主要定位于電信市場(chǎng)等對速度、性能要求很高的領(lǐng)域。而現在，FPGA已經(jīng)可以應用到更廣泛的領(lǐng)域中去了，高端消費類(lèi)電子、HDTV、PDA、醫療、安防等。就拿賽靈思公司來(lái)說(shuō)，5年前，它90%的收入來(lái)自電信市場(chǎng)，而現在，非電信市場(chǎng)正以25%的速度增長(cháng)，消費類(lèi)電子市場(chǎng)的份額已經(jīng)達到15%。賽靈思公司CTO Ivo Bolsens形容，"過(guò)去賽靈思就象是小池塘里的大魚(yú)，雖然占領(lǐng)了可編程邏輯市場(chǎng)55%的市場(chǎng)份額，但整個(gè)目標市場(chǎng)總共也就50億美金，而現在不斷拓展的廣泛應用使得我們就如暢游在大海中的小魚(yú)，目標市場(chǎng)涵蓋了高端FPGA、ASSP和ASIC、嵌入式平臺、DSP等領(lǐng)域，整個(gè)市場(chǎng)規模達到400-500億美金甚至更多，FPGA有巨大的發(fā)展空間。"

挑戰技術(shù)極限靠膽識 靠實(shí)力

那么，到底是什么原因讓FPGA突破了狹窄的市場(chǎng)局限，走向更廣泛的應用呢？Bolsens先生為我們詳細分析了這個(gè)問(wèn)題。

首先，FPGA廠(chǎng)商一直都在積極地采用最先進(jìn)的半導體生產(chǎn)工藝技術(shù)。從130nm到90nm，再到65nm。越來(lái)越先進(jìn)的生產(chǎn)工藝會(huì )大大提高FPGA電路的集成度和性能，減少成本、尺寸和功耗。但另一方面，更先進(jìn)工藝技術(shù)對晶體管的特性和FPGA廠(chǎng)商的技術(shù)實(shí)力及資金實(shí)力都是極大的挑戰。更小的納米工藝會(huì )改變晶體管的特性，電壓飽和，泄漏電流增大，這就要求FPGA廠(chǎng)商必須找到技術(shù)上的解決辦法；此外，每次更新生產(chǎn)工藝都意味著(zhù)巨大的資金投入和更長(cháng)的投資回報期，只有資金雄厚、擁有廣泛應用市場(chǎng)、足夠大的批量做后盾的公司才有實(shí)力承擔。Altera、Xilinx這對FPGA行業(yè)的雙雄一直都在馬不停蹄采用更先進(jìn)的半導體工藝，不斷推出基于新工藝的產(chǎn)品，據了解，兩家廠(chǎng)商正緊鑼密鼓地謀劃45nm產(chǎn)品的研發(fā)，再一次挑戰技術(shù)極限，估計45nm FPGA產(chǎn)品的面世也是指日可待的事情了。

此外，在架構上，FPGA集成進(jìn)去更多硬核，以滿(mǎn)足特定市場(chǎng)的特定需求，比如PCIe、DSP、以太網(wǎng)總線(xiàn)、串行收發(fā)器等。

在功耗上，FPGA廠(chǎng)商找到了特定的技術(shù)來(lái)減少因更先進(jìn)的納米技術(shù)帶來(lái)的晶體管泄漏電流，適時(shí)關(guān)閉暫時(shí)不使用的邏輯單元和功能來(lái)降低功耗，同時(shí)通過(guò)軟件來(lái)幫助客戶(hù)優(yōu)化性能?？傊?，FPGA廠(chǎng)商從整個(gè)設計鏈的每一個(gè)環(huán)節進(jìn)行全面優(yōu)化，讓客戶(hù)可充分享受先進(jìn)納米技術(shù)帶來(lái)的性能、成本和價(jià)格優(yōu)勢。

除了以上這些方面，賽靈思還提供很多標準的IP給客戶(hù)，并為一些熱門(mén)應用提供交鑰匙的方案，如視頻、無(wú)線(xiàn)等，以及為汽車(chē)電子等特殊應用市場(chǎng)提供定制化的平臺?？偟膩?lái)說(shuō)，賽靈思為客戶(hù)提供的是從通用器件到專(zhuān)用市場(chǎng)的全面解決方案，只有這樣才能有足夠的實(shí)力應對市場(chǎng)和資金上的挑戰和風(fēng)險。

市場(chǎng)給FPGA帶來(lái)巨大機遇

Bolsens先生進(jìn)一步分析了為什么"FPGA成為半導體市場(chǎng)上的一大亮點(diǎn)"。事實(shí)上，是終端市場(chǎng)的發(fā)展為FPGA帶來(lái)了更多機遇。在終端市場(chǎng)上，音頻、視頻和數據的同步處理成為一個(gè)主要趨勢，包括數字電視、便攜式產(chǎn)品、醫療、汽車(chē)等應用都要求對音頻、視頻和數據進(jìn)行同時(shí)傳輸和處理，這稱(chēng)為三重播放。三重播放的實(shí)現要求具備三方面的能力，其一，數字信號處理能力，能夠處理音視頻和數據信號；其二，高速運算能力，對數據進(jìn)行分析；其三，包處理能力，負責數據的傳輸。FPGA在這個(gè)趨勢上扮演一個(gè)非常重要的角色，既支持基礎設施，也支持終端產(chǎn)品。以賽靈思的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，對三重播放基礎設施的支持主要是由賽靈思的高端器件支持，比如Virtex-5，在這三方面都做了很多的專(zhuān)門(mén)設計，比如有非常強大的DSP處理功能，有強大的互聯(lián)功能，以及提供強大的運算功能，能夠支持企業(yè)級和電信級的應用。對消費電子這些大規模應用的領(lǐng)域，賽靈思的Spartan產(chǎn)品，可以對用戶(hù)的設計進(jìn)行保護。Spartan產(chǎn)品線(xiàn)上最新的一員就是Spartan-3A DSP。

在數字信號處理能力方面，目前基于處理器的數字信號處理器都有一個(gè)處理能力的上限， 5G/s。但目前正在出現的一些消費電子類(lèi)的應用，都要求有5G-30G/s的速度。傳統的基礎結構和基站對運算量的要求更是達到350G/s。為了順應這個(gè)性能要求，賽靈思一個(gè)最重大的改進(jìn)就是把以前的邏輯單元替換成DSP，同時(shí)在持續地達到這個(gè)運算量所需要的功耗比過(guò)去反而降低了。如Virtex-5比Virtex-4功耗降低了75%。

包處理能力方面的需求也很大，網(wǎng)絡(luò )安全、3D等都會(huì )用到包處理。在互聯(lián)性方面，很多新的互聯(lián)標準不斷推出，系統需要一個(gè)可編程的接口來(lái)兼容這些標準。和專(zhuān)用芯片比起來(lái)，FPGA擁有10倍的速度，而成本和功耗降低10倍。

在計算能力方面，FPGA最早是通過(guò)PCI和處理器連到一起，來(lái)滿(mǎn)足計算處理能力的要求。最新的進(jìn)展是FPGA可以直接和主處理器連接，而不需要通過(guò)南北橋、總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行連接，同時(shí)能夠訪(fǎng)問(wèn)它的內存，在該階段FPGA作為協(xié)處理器形式出現；而在最新的第三階段，在多核系統里，FPGA作為與處理器對等的角色出現，FPGA地位已經(jīng)上升成為處理器平等、合作的伙伴關(guān)系。這種對等結構非常新，同時(shí)也有很多技術(shù)挑戰。

在高速運算領(lǐng)域里，FPGA的功耗有絕對的優(yōu)勢，省卻了散熱器、處理器總線(xiàn)這些體系結構的限制，從而達到很高的I/O處理能力。此外，還有一個(gè)非常重要的因素就是軟件與硬件的完美結合，用軟件直接進(jìn)行優(yōu)化，這方面需要FPGA廠(chǎng)商的合作伙伴投入很大的工作量。

生態(tài)圈比以往更加重要

Bolsens先生特別強調了FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的重要性。對于現在的FPGA廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，一個(gè)很大的挑戰在于FPGA各種各樣的創(chuàng )新應用越來(lái)越多，FPGA廠(chǎng)商自己都無(wú)暇顧及這些嶄新的應用，此外，軟硬件的協(xié)同設計，尤其是通過(guò)軟件加強對終端市場(chǎng)的應用進(jìn)行定制化設計，為嶄新的應用提供解決方案，更需要多方合作伙伴的支持和合作。因此，為了能夠更好地推動(dòng)FPGA在更廣泛市場(chǎng)的應用，建立一個(gè)FPGA產(chǎn)業(yè)的生態(tài)圈比以往都更加迫切和必要。

在中國市場(chǎng)上，賽靈思的思路主要有兩方面。第一，賽靈思將對于能夠幫助賽靈思建立產(chǎn)業(yè)鏈的合作伙伴進(jìn)行投資，比如那些剛剛創(chuàng )辦的公司，他們或者能夠在FPGA基礎上進(jìn)行創(chuàng )新，或者能夠使FPGA實(shí)現更簡(jiǎn)單的應用，它們對FPGA進(jìn)入新的市場(chǎng)領(lǐng)域起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。賽靈思正在積極尋求能夠和該戰略相聯(lián)系的新興初創(chuàng )公司，如果他們能夠提供更好的有吸引力的商業(yè)模式，就會(huì )向他們投資。其二，建立更好的合作伙伴的生態(tài)系統關(guān)系，比如培訓和教育，使那些從來(lái)沒(méi)有用過(guò)賽靈思產(chǎn)品的工程師能發(fā)現其中的潛力并學(xué)會(huì )使用它。大學(xué)對推動(dòng)和宣傳FPGA是一個(gè)非常好的地方。賽靈思和許多國際知名大學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了成功的合作。比如賽靈思在美國德州的Rice大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用的平臺，并形成了一個(gè)很大的學(xué)術(shù)界社區，社區里提供開(kāi)放源碼的軟件和參考設計，還提供各種各樣設計。在包處理領(lǐng)域里，賽靈思在斯坦福大學(xué)支持做路由器開(kāi)放源碼的項目，很多學(xué)校都在該項目的基礎上做各種各樣的研究、教學(xué)和應用。這些項目匯集了美國50多個(gè)頂級大學(xué)參與研究。賽靈思同時(shí)也希望中國頂尖的大學(xué)能夠參與進(jìn)來(lái)。

去年年底，賽靈思在亞太區設置了一項7500萬(wàn)美元的技術(shù)基金，專(zhuān)門(mén)用于投資初創(chuàng )公司和大學(xué)的培訓教育與合作項目。幾個(gè)最大的投資焦點(diǎn)集中在監控、醫療、無(wú)線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )安全等FPGA會(huì )獲得很多機會(huì )的領(lǐng)域。賽靈思對于孵化基地和孵化中心這樣類(lèi)型的地方也有合作的興趣，同時(shí)也在尋求和中國風(fēng)險投資以及全球的風(fēng)險投資在中國合作的機會(huì )。

"FPGA最終將成為嵌入式系統的心臟，而中國是FPGA技術(shù)潛力最大的市場(chǎng)，在中國建立FPGA產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統意義重大，勢在必行。" Bolsens先生最后強調道。