FPGA：22年從配角到主角
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事實(shí)也的確如此。最初，FPGA只是用于膠合邏輯，從膠合邏輯到算法邏輯再到數字信號處理、高速串行收發(fā)器和嵌入式處理器，FPGA真正地從配角變成了主角。在以閃電般速度發(fā)展的半導體產(chǎn)業(yè)里，22年足夠改變一切?！霸谖磥?lái)十年內每一個(gè)電子設備都將有一個(gè)可編程邏輯芯片”的理想正成為現實(shí)。
從2μm到65nm
1985年，Xilinx公司推出的全球第一款FPGA產(chǎn)品XC2064怎么看都像是一只“丑小鴨”——采用2μm工藝，包含64個(gè)邏輯模塊和85000個(gè)晶體管，門(mén)數量不超過(guò)1000個(gè)。22年后的2007年，FPGA業(yè)界雙雄Xilinx和Altera公司紛紛推出了采用最新65nm工藝的FPGA產(chǎn)品，其門(mén)數量已經(jīng)達到千萬(wàn)級，晶體管個(gè)數更是超過(guò)10億個(gè)。一路走來(lái)，FPGA在不斷地緊跟并推動(dòng)著(zhù)半導體工藝的進(jìn)步——2001年采用150nm工藝、2002年采用130nm工藝，2003年采用90nm工藝，2006年采用65nm工藝。
在上世紀80年代中期，可編程器件從任何意義上來(lái)講都不是當時(shí)的主流，雖然其并不是一個(gè)新的概念?？删幊踢壿嬯嚵?PLA)在1970年左右就出現了，但是一直被認為速度慢，難以使用。1980年之后，可配置可編程邏輯陣列(PAL)開(kāi)始出現，可以使用原始的軟件工具提供有限的觸發(fā)器和查找表實(shí)現能力。PAL被視為小規模/中等規模集成膠合邏輯的替代選擇被逐步接受，但是當時(shí)可編程能力對于大多數人來(lái)說(shuō)仍然是陌生和具有風(fēng)險的。20世紀80年代在“mega PAL”方面的嘗試使這一情況更加嚴重，因為“mega PAL”在功耗和工藝擴展方面有嚴重的缺陷，限制了它的廣泛應用。
然而，Xilinx公司創(chuàng )始人之一——FPGA器件的發(fā)明者Ross Freeman認為，對于許多應用來(lái)說(shuō)，如果實(shí)施得當的話(huà)，靈活性和可定制能力都是具有吸引力的特性。也許最初只能用于原型設計，但是未來(lái)可能代替更廣泛意義上的定制芯片。事實(shí)上，正如Xilinx公司亞太區營(yíng)銷(xiāo)董事鄭馨南所言，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，FPGA由配角到主角，很多系統設計都是以FPGA為中心來(lái)設計的。FPGA走過(guò)了從初期開(kāi)發(fā)應用到限量生產(chǎn)應用再到大批量生產(chǎn)應用的發(fā)展歷程。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，最初只是邏輯器件，現在強調平臺概念，加入數字信號處理、嵌入式處理、高速串行和其他高端技術(shù)，從而被應用到更多的領(lǐng)域。
“過(guò)去20年來(lái)，PLD產(chǎn)品的終極目標一直瞄準速度、成本和密度三個(gè)指標，即構建容量更大、速度更快和價(jià)格更低的FPGA，讓客戶(hù)能直接享用?！盇ctel公司總裁兼首席執行官John East如此總結可編程邏輯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展脈絡(luò )。
當1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA產(chǎn)品——XC4000系列時(shí)，人們開(kāi)始認真考慮可編程技術(shù)了。XC4003包含44萬(wàn)個(gè)晶體管，采用0.7μm工藝，FPGA開(kāi)始被制造商認為是可以用于制造工藝開(kāi)發(fā)測試過(guò)程的良好工具。事實(shí)證明，FPGA可為制造工業(yè)提供優(yōu)異的測試能力，FPGA開(kāi)始用來(lái)代替原先存儲器所扮演的用來(lái)驗證每一代新工藝的角色。也許從那時(shí)起，向最新制程半導體工藝的轉變就已經(jīng)不可阻擋了。最新工藝的采用為FPGA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機遇。
Actel公司相信，Flash將繼續成為FPGA產(chǎn)業(yè)中重要的一個(gè)增長(cháng)領(lǐng)域。Flash技術(shù)有其獨特之處，能將非易失性和可重編程性集于單芯片解決方案中，因此能提供高成本效益，而且處于有利的位置以搶占龐大的市場(chǎng)份額。Actel以Flash技術(shù)為基礎的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信號Fusion FPGA將因具備Flash的固有優(yōu)勢而繼續引起全球廣泛的興趣和注意。
從50億美元到410億美元
Altera公司估計可編程邏輯器件市場(chǎng)在2006年的規模大概為37億美元，Xilinx公司的估計更為樂(lè )觀(guān)一些，為50億美元。雖然兩家公司合計占據該市場(chǎng)90%的市場(chǎng)份額，但是作為業(yè)界老大的Xilinx公司在2006年的營(yíng)收不過(guò)18.4億美元，Altera公司則為12.9億美元。PLD市場(chǎng)在2000年達到41億美元，其后兩年出現了下滑，2002年大約為23億美元。雖然從2002年到2006年，PLD市場(chǎng)每年都在增長(cháng)，復合平均增長(cháng)率接近13%，但是PLD終究是一個(gè)規模較小的市場(chǎng)。而Xilinx公司也敏銳地意識到，FPGA產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了過(guò)去幾年的快速成長(cháng)后將放慢前進(jìn)的腳步，那么，未來(lái)FPGA產(chǎn)業(yè)的出路在哪里？
Altera公司總裁兼首席執行官John Daane認為，FPGA及PLD產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大機遇是替代ASIC和專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)，主要由ASIC和ASSP構成的數字邏輯市場(chǎng)規模大約為350億美元。由于用戶(hù)可以迅速對PLD進(jìn)行編程，按照需求實(shí)現特殊功能，與ASIC和ASSP相比，PLD在靈活性、開(kāi)發(fā)成本以及產(chǎn)品及時(shí)面市方面更具優(yōu)勢。然而，PLD通常比這些替代方案有更高的成本結構。因此，PLD更適合對產(chǎn)品及時(shí)面市有較大需求的應用，以及產(chǎn)量較低的最終應用。PLD技術(shù)和半導體制造技術(shù)的進(jìn)步，從總體上縮小了PLD和固定芯片方案的相對成本差，在以前由ASIC和ASSP占據的市場(chǎng)上，Altera公司已經(jīng)成功地提高了PLD的銷(xiāo)售份額，并且今后將繼續這一趨勢?！癋PGA和PLD供應商的關(guān)鍵目標不是簡(jiǎn)單地增加更多的原型客戶(hù)，而是向大批量應用最終市場(chǎng)和客戶(hù)滲透?！盝ohn Daane為FPGA產(chǎn)業(yè)指明了方向。
Xilinx公司認為，ASIC SoC設計周期平均是14個(gè)月到24個(gè)月，用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)間可以平均降低55%。而產(chǎn)品晚上市六個(gè)月5年內將少33%的利潤，每晚四周等于損失14%的市場(chǎng)份額。因此，鄭馨南雄心勃勃地預言：“FPGA應用將不斷加快，從面向50億美元的市場(chǎng)擴展到面向410億美元的市場(chǎng)?！逼渲?，ASIC和ASSP市場(chǎng)各150億美元，嵌入式處理和高性能DSP市場(chǎng)各30億美元。
改變產(chǎn)業(yè)觀(guān)念居功至偉
雖然沒(méi)有像蒸汽機車(chē)發(fā)明之初備受嘲笑被譏諷為“怪物”，但是FPGA在誕生之初受到懷疑是毫無(wú)疑問(wèn)的。當時(shí)，晶體管邏輯門(mén)資源極為珍貴，每個(gè)人都希望用到的晶體管越少越好。不過(guò)，Ross Freeman挑戰了這一觀(guān)念，他大膽預言：“在未來(lái)，晶體管將變得極為豐富從而可以‘免費’使用?！比缃?，這一預言成為現實(shí)。
“FPGA非常適用于原型設計，但對于批量DSP系統應用來(lái)說(shuō)，成本太高，功耗太大?！边@是業(yè)界此前的普遍觀(guān)點(diǎn)，很長(cháng)時(shí)間以來(lái)也為FPGA進(jìn)入DSP領(lǐng)域設置了觀(guān)念上的障礙。而如今，隨著(zhù)Xilinx公司和Altera公司相關(guān)產(chǎn)品的推出，DSP領(lǐng)域已經(jīng)不再是FPGA的禁區，相反卻成了FPGA未來(lái)的希望所在。
FPGA對半導體產(chǎn)業(yè)最大的貢獻莫過(guò)于創(chuàng )立了無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)(Fabless)模式。如今采用這種模式司空見(jiàn)慣，但是在20多年前，制造廠(chǎng)被認為是半導體芯片企業(yè)必須認真考慮的主要競爭優(yōu)勢。然而，基于過(guò)去和關(guān)系和直接、清晰的業(yè)務(wù)模式，Xilinx創(chuàng )始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)確信利用該公司的制造設施來(lái)生產(chǎn)Xilinx公司設計的芯片對雙方都是有利的，于是，無(wú)生產(chǎn)線(xiàn)模式誕生了。
未來(lái)，相信FPGA還將在更多方面改變半導體產(chǎn)業(yè)！ linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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