FPGA將會(huì )在汽車(chē)市場(chǎng)中獲得廣泛應用

市場(chǎng)分析家預測2002～2008年整個(gè)可編程邏輯市場(chǎng)的規模將翻三番。盡管可編程邏輯市場(chǎng)的成長(cháng)一直都是由通信和網(wǎng)絡(luò )行業(yè)對高價(jià)值和大容量元件的需求所推動(dòng)，但下一輪擴張動(dòng)力將來(lái)源自不同的領(lǐng)域，即以?xún)r(jià)值為基礎(value-based)的汽車(chē)和消費電子市場(chǎng)。

根據市場(chǎng)研究公司Gartner Dataquest預計，在2002～2008年，用于消費電子產(chǎn)品的FPGA將增長(cháng)10倍，總體銷(xiāo)售規模超過(guò)10億美元。這個(gè)增長(cháng)動(dòng)力來(lái)源于多種產(chǎn)品，包括新的數字化高清廣播設備、游戲和多媒體娛樂(lè )系統、LCD和等離子電視，以及廣泛普及的家用DVR和DVD-W等。與此同時(shí)，在汽車(chē)市場(chǎng)方面，FPGA將越來(lái)越多地用于車(chē)載娛樂(lè )系統、車(chē)載GPS導航系統、汽車(chē)信息系統、通信和安全系統。

那么，在可編程邏輯應用模式改變的背后隱含的意義是什么呢？

傳統上，FPGA一直被用于兩種場(chǎng)合：一是小批量應用，即產(chǎn)量不足以達到全面轉向ASIC所需的規模效益；二是用于構建設計原型，以便日后轉向ASIC進(jìn)行大規模生產(chǎn)。然而，近年來(lái)FPGA已經(jīng)越來(lái)越多地用于各種產(chǎn)品當中，雖然增長(cháng)的速度不是很快，但的確是在增長(cháng)。部分原因是出于成本考慮：FPGA制造商發(fā)揮了新半導體工藝技術(shù)和制造效率的優(yōu)勢來(lái)降低單位成本；與此同時(shí)，不斷增加的非經(jīng)常性工程開(kāi)支(NRE)卻使到ASIC的整體成本不斷提高。在50萬(wàn)件產(chǎn)量的規模下，ASIC的掩膜價(jià)格(目前一般以百萬(wàn)美元計算)已使到其最終產(chǎn)品的單位成本與FPGA產(chǎn)品相近，全球范圍內的ASIC設計也在逐漸減少，如圖1和圖2所示。

圖1 ASIC的掩模成本隨工藝水平的提高而急劇升高

圖2 全球范圍內的ASIC設計逐漸減少

此外，傳統的基于SRAM的FPGA的一些缺點(diǎn)經(jīng)已得到解決。器件的門(mén)密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的問(wèn)題，也無(wú)須增加外部元件，而這些正是以前的可編程邏輯器件的弱點(diǎn)所在。

設計人員已意識到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的優(yōu)勢。例如，使用FPGA的設計人員可以在設計完成后進(jìn)行更改。事實(shí)上，已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品也可以進(jìn)行升級。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期壓力越來(lái)越大的市場(chǎng)環(huán)境下，廠(chǎng)家都不愿意冒風(fēng)險，因此FPGA是很理想的解決方案。

正是在這樣的背景之下，作為ASIC替代品、以?xún)r(jià)值為基礎的FPGA在市場(chǎng)上出現了，針對工程師的需求提供可滿(mǎn)足今天不斷縮短的開(kāi)發(fā)周期和不斷降低的成本的技術(shù)方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列產(chǎn)品就可提供系統內可編程功能、高性能可編程邏輯，以及超過(guò)一百萬(wàn)的系統門(mén)密度?；蛟S更重要的是，這個(gè)FPGA系列的單位成本足以與ASIC器件(計入NRE費用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低價(jià)格只有1.5美元。

從表面上看，更快的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和可重配置功能無(wú)疑會(huì )增加以FPGA的優(yōu)勢。然而，正如設計人員在計算ASIC產(chǎn)品的有效單位成本時(shí)必須考慮NRE一樣，在轉向采用FPGA時(shí)，設計人員也需要權衡對整體系統成本的影響。舉例說(shuō)，以SRAM技術(shù)為基礎的FPGA往往需要額外的支持電路，而以?xún)r(jià)值為基礎的FPGA亦然。每個(gè)基于SRAM的FPGA都需要啟動(dòng)PROM或微控制器來(lái)加載配置數據。為保障系統的可靠性，設計人員通常還要添加SRAM的電源欠壓檢測器件。而且，許多采用基于SRAM的FPGA的設計都需要上電即行的CPLD(復雜可編程邏輯器件)來(lái)管理系統的啟動(dòng)，尤其是在使用微控制器加載SRAM FPGA的情況下。

當采用最新的90nm半導體工藝制備的SRAM器件時(shí)可能還得付出別的代價(jià)，即需要滿(mǎn)足嚴格的上電要求。有些以非揮發(fā)性技術(shù)為基礎的器件也需要細致的電源上電時(shí)序；而且，如果SRAM FPGA的上電配置延遲會(huì )使器件內部的PLL/DLL電路不能適應這種重要的系統級任務(wù)，可能還需要外部時(shí)鐘分配器件來(lái)處理系統時(shí)鐘管理?？傊?，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持電路成本。因此，這個(gè)額外成本必須計入解決方案的真正整體成本中。SRAM系統的額外成本很容易便超過(guò)FPGA器件單位成本的一倍，而且還未考慮到軟成本或可靠性、庫存管理和設計復雜性等問(wèn)題。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是單芯片的解決方案，具備固有的上電即行功能，不需要啟動(dòng)PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持與AISC類(lèi)似的板卡設計，能以單電源(1.5V)工作，且能按預計及受控的方式上電和關(guān)電。由于功耗低，因此對電源的要求也較低。這點(diǎn)對于消費電子和汽車(chē)應用尤其重要，而且對提高系統可靠性和降低系統熱管理成本也有很大作用。

除了具備價(jià)格、設計和功耗方面的優(yōu)勢外，FPGA在安全性和可靠性等方面也能與ASIC相媲美?；贔lash的設計一直被公認能夠更好地抵御由中子轟擊所致的固件和軟件錯誤，這是高海拔應用環(huán)境常見(jiàn)的現象，但漸漸地也成為地面應用的一個(gè)普遍問(wèn)題。

從系統安全的角度看，基于Flash的設計也可以提供更佳的保護，以免關(guān)鍵的IP受到盜竊。幾乎無(wú)法對設計進(jìn)行反向工程，當系統啟動(dòng)時(shí)，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之間的數據流被盜竊者攔截的可能性。

ProASIC3器件還配備1kb片上非揮發(fā)性Flash ROM，以及內置128位AES加密內核，以便FPGA內核陣列結構和FROM本身進(jìn)行獨立和安全的系統內編程。這樣，設計人員就可實(shí)現多項安全功能。例如，在安全的可編程環(huán)境中預先加載AES主密鑰到器件中，于是，用戶(hù)可將未完成配置的空白部分送到?jīng)]有安全防護的編程或制造中心中，再通過(guò)AES加密位流進(jìn)行最終的個(gè)性化配置。

設計人員可利用這個(gè)功能執行產(chǎn)品的后期更改，這也是FPGA解決方案另一個(gè)獨特之處。在類(lèi)似的情況下，設計人員還可通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )如Internet或衛星通信來(lái)進(jìn)行安全的遠程現場(chǎng)升級，在此過(guò)程中只需傳送帶AES加密數據的配置文件。這種方法尤其有助于由服務(wù)供應商根據訂用服務(wù)模式提供的升級功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比見(jiàn)圖3。

圖3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比

由于采用90nm或65nm工藝的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA將越來(lái)越多地取代ASIC器件，不僅在產(chǎn)量需求低于50萬(wàn)的場(chǎng)合，而且還包括需要FPGA的獨特優(yōu)勢的消費電子和汽車(chē)等市場(chǎng)。隨著(zhù)業(yè)界不斷在縮短開(kāi)發(fā)周期、降低風(fēng)險、設計后期更改及產(chǎn)品現場(chǎng)可配置方面進(jìn)行提升，基于Flash的FPGA很有可能成為各種不同應用領(lǐng)域的首選解決方案。市場(chǎng)分析家預測2002～2008年整個(gè)可編程邏輯市場(chǎng)的規模將翻三番。盡管可編程邏輯市場(chǎng)的成長(cháng)一直都是由通信和網(wǎng)絡(luò )行業(yè)對高價(jià)值和大容量元件的需求所推動(dòng)，但下一輪擴張動(dòng)力將來(lái)源自不同的領(lǐng)域，即以?xún)r(jià)值為基礎(value-based)的汽車(chē)和消費電子市場(chǎng)。

根據市場(chǎng)研究公司Gartner Dataquest預計，在2002～2008年，用于消費電子產(chǎn)品的FPGA將增長(cháng)10倍，總體銷(xiāo)售規模超過(guò)10億美元。這個(gè)增長(cháng)動(dòng)力來(lái)源于多種產(chǎn)品，包括新的數字化高清廣播設備、游戲和多媒體娛樂(lè )系統、LCD和等離子電視，以及廣泛普及的家用DVR和DVD-W等。與此同時(shí)，在汽車(chē)市場(chǎng)方面，FPGA將越來(lái)越多地用于車(chē)載娛樂(lè )系統、車(chē)載GPS導航系統、汽車(chē)信息系統、通信和安全系統。

那么，在可編程邏輯應用模式改變的背后隱含的意義是什么呢？

傳統上，FPGA一直被用于兩種場(chǎng)合：一是小批量應用，即產(chǎn)量不足以達到全面轉向ASIC所需的規模效益；二是用于構建設計原型，以便日后轉向ASIC進(jìn)行大規模生產(chǎn)。然而，近年來(lái)FPGA已經(jīng)越來(lái)越多地用于各種產(chǎn)品當中，雖然增長(cháng)的速度不是很快，但的確是在增長(cháng)。部分原因是出于成本考慮：FPGA制造商發(fā)揮了新半導體工藝技術(shù)和制造效率的優(yōu)勢來(lái)降低單位成本；與此同時(shí)，不斷增加的非經(jīng)常性工程開(kāi)支(NRE)卻使到ASIC的整體成本不斷提高。在50萬(wàn)件產(chǎn)量的規模下，ASIC的掩膜價(jià)格(目前一般以百萬(wàn)美元計算)已使到其最終產(chǎn)品的單位成本與FPGA產(chǎn)品相近，全球范圍內的ASIC設計也在逐漸減少，如圖1和圖2所示。


圖1 ASIC的掩模成本隨工藝水平的提高而急劇升高


圖2 全球范圍內的ASIC設計逐漸減少

此外，傳統的基于SRAM的FPGA的一些缺點(diǎn)經(jīng)已得到解決。器件的門(mén)密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的問(wèn)題，也無(wú)須增加外部元件，而這些正是以前的可編程邏輯器件的弱點(diǎn)所在。

設計人員已意識到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的優(yōu)勢。例如，使用FPGA的設計人員可以在設計完成后進(jìn)行更改。事實(shí)上，已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品也可以進(jìn)行升級。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期壓力越來(lái)越大的市場(chǎng)環(huán)境下，廠(chǎng)家都不愿意冒風(fēng)險，因此FPGA是很理想的解決方案。

正是在這樣的背景之下，作為ASIC替代品、以?xún)r(jià)值為基礎的FPGA在市場(chǎng)上出現了，針對工程師的需求提供可滿(mǎn)足今天不斷縮短的開(kāi)發(fā)周期和不斷降低的成本的技術(shù)方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列產(chǎn)品就可提供系統內可編程功能、高性能可編程邏輯，以及超過(guò)一百萬(wàn)的系統門(mén)密度?；蛟S更重要的是，這個(gè)FPGA系列的單位成本足以與ASIC器件(計入NRE費用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低價(jià)格只有1.5美元。

從表面上看，更快的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和可重配置功能無(wú)疑會(huì )增加以FPGA的優(yōu)勢。然而，正如設計人員在計算ASIC產(chǎn)品的有效單位成本時(shí)必須考慮NRE一樣，在轉向采用FPGA時(shí)，設計人員也需要權衡對整體系統成本的影響。舉例說(shuō)，以SRAM技術(shù)為基礎的FPGA往往需要額外的支持電路，而以?xún)r(jià)值為基礎的FPGA亦然。每個(gè)基于SRAM的FPGA都需要啟動(dòng)PROM或微控制器來(lái)加載配置數據。為保障系統的可靠性，設計人員通常還要添加SRAM的電源欠壓檢測器件。而且，許多采用基于SRAM的FPGA的設計都需要上電即行的CPLD(復雜可編程邏輯器件)來(lái)管理系統的啟動(dòng)，尤其是在使用微控制器加載SRAM FPGA的情況下。

當采用最新的90nm半導體工藝制備的SRAM器件時(shí)可能還得付出別的代價(jià)，即需要滿(mǎn)足嚴格的上電要求。有些以非揮發(fā)性技術(shù)為基礎的器件也需要細致的電源上電時(shí)序；而且，如果SRAM FPGA的上電配置延遲會(huì )使器件內部的PLL/DLL電路不能適應這種重要的系統級任務(wù)，可能還需要外部時(shí)鐘分配器件來(lái)處理系統時(shí)鐘管理?？傊?，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持電路成本。因此，這個(gè)額外成本必須計入解決方案的真正整體成本中。SRAM系統的額外成本很容易便超過(guò)FPGA器件單位成本的一倍，而且還未考慮到軟成本或可靠性、庫存管理和設計復雜性等問(wèn)題。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是單芯片的解決方案，具備固有的上電即行功能，不需要啟動(dòng)PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持與AISC類(lèi)似的板卡設計，能以單電源(1.5V)工作，且能按預計及受控的方式上電和關(guān)電。由于功耗低，因此對電源的要求也較低。這點(diǎn)對于消費電子和汽車(chē)應用尤其重要，而且對提高系統可靠性和降低系統熱管理成本也有很大作用。

除了具備價(jià)格、設計和功耗方面的優(yōu)勢外，FPGA在安全性和可靠性等方面也能與ASIC相媲美?；贔lash的設計一直被公認能夠更好地抵御由中子轟擊所致的固件和軟件錯誤，這是高海拔應用環(huán)境常見(jiàn)的現象，但漸漸地也成為地面應用的一個(gè)普遍問(wèn)題。

從系統安全的角度看，基于Flash的設計也可以提供更佳的保護，以免關(guān)鍵的IP受到盜竊。幾乎無(wú)法對設計進(jìn)行反向工程，當系統啟動(dòng)時(shí)，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之間的數據流被盜竊者攔截的可能性。

ProASIC3器件還配備1kb片上非揮發(fā)性Flash ROM，以及內置128位AES加密內核，以便FPGA內核陣列結構和FROM本身進(jìn)行獨立和安全的系統內編程。這樣，設計人員就可實(shí)現多項安全功能。例如，在安全的可編程環(huán)境中預先加載AES主密鑰到器件中，于是，用戶(hù)可將未完成配置的空白部分送到?jīng)]有安全防護的編程或制造中心中，再通過(guò)AES加密位流進(jìn)行最終的個(gè)性化配置。

設計人員可利用這個(gè)功能執行產(chǎn)品的后期更改，這也是FPGA解決方案另一個(gè)獨特之處。在類(lèi)似的情況下，設計人員還可通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )如Internet或衛星通信來(lái)進(jìn)行安全的遠程現場(chǎng)升級，在此過(guò)程中只需傳送帶AES加密數據的配置文件。這種方法尤其有助于由服務(wù)供應商根據訂用服務(wù)模式提供的升級功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比見(jiàn)圖3。


圖3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比

由于采用90nm或65nm工藝的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA將越來(lái)越多地取代ASIC器件，不僅在產(chǎn)量需求低于50萬(wàn)的場(chǎng)合，而且還包括需要FPGA的獨特優(yōu)勢的消費電子和汽車(chē)等市場(chǎng)。隨著(zhù)業(yè)界不斷在縮短開(kāi)發(fā)周期、降低風(fēng)險、設計后期更改及產(chǎn)品現場(chǎng)可配置方面進(jìn)行提升，基于Flash的FPGA很有可能成為各種不同應用領(lǐng)域的首選解決方案。