平臺化ASIC迅速打開市場

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

　　戰(zhàn)略規(guī)劃方面的前提假定

　　專用集成電路平臺將流行開來，在2007年以前，它將使每年新ASIC設(shè)計項目啟動數(shù)量升至1000項以上(0.8的概率)。帶處理器核的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在21世紀(jì)的頭10年末將占到全部FPGA設(shè)計數(shù)的1/3以上(0.7的概率)。

　　平臺化設(shè)計：技術(shù)自然發(fā)展的結(jié)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(yù)先確定而且經(jīng)過了驗證，構(gòu)成一個很大的組成模塊。它是微電子行業(yè)針對縮短上市時間、降低設(shè)計成本等要求而給出的解決方案，其方法正是設(shè)法實現(xiàn)高水平的設(shè)計復(fù)用。

　　隨著工藝技術(shù)從0.18mm轉(zhuǎn)向0.13mm和90nm，ASIC設(shè)計成本已經(jīng)比原先的水平增加了一倍以上，這使得大批用戶放棄了傳統(tǒng)的ASIC產(chǎn)品。傳統(tǒng)的、基于單元的ASIC，其總設(shè)計成本，包括掩膜成本和工程開發(fā)時間在內(nèi)，從1000萬美元上升到了1500萬美元。因此，如果要讓ASIC技術(shù)繼續(xù)在小型和中規(guī)模系統(tǒng)中找到應(yīng)用的話，就必須采取一定的措施。ASIC供應(yīng)商已經(jīng)給出了這一問題的答案：一族稱為平臺化ASIC的新型ASIC產(chǎn)品，其中的一些產(chǎn)品有時亦稱為結(jié)構(gòu)化ASIC。平臺化ASIC極大地降低了設(shè)計成本，使之能作為一種經(jīng)濟(jì)的解決方案，應(yīng)用于器件收入僅有150萬美元的設(shè)計中。

　　平臺化ASIC市場填補(bǔ)了傳統(tǒng)的FPGA和基于單元的IC之間的空白，F(xiàn)PGA公司也希望從這一新興的市場上分到自己的一份，已經(jīng)針對它推出了為數(shù)眾多的新產(chǎn)品。平臺化ASIC現(xiàn)在處于產(chǎn)品推廣的早期階段，正等待市場的接受，但這些產(chǎn)品的未來一片光明，因為對于能夠縮短上市時間和降低設(shè)計成本的解決方案來說，市場時機(jī)已經(jīng)成熟。

　　產(chǎn)品的界定

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

　　雖然現(xiàn)在業(yè)內(nèi)采用“結(jié)構(gòu)化ASIC”(structured ASIC)一詞，但我們相信它的外延過于狹隘，主要在論及基于陣列的平臺產(chǎn)品時才使用。我們更愿意使用“平臺化ASIC”一詞，來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

　　每一種類型的產(chǎn)品在市場上都有其價值，最終將由用戶來對每一種產(chǎn)品進(jìn)行評估，并選出最符合其應(yīng)用具體要求的產(chǎn)品。在選擇產(chǎn)品時，需要在很多因素間進(jìn)行折衷取舍，包括性能、裸片尺寸、設(shè)計成本、上市時間和解決方案的總成本等，具體的方式取決于應(yīng)用涉及的產(chǎn)品個數(shù)以及總價值。例如，基于陣列的平臺是針對整個生存期中收入可達(dá)100萬到1500萬美元的設(shè)計?；趩卧钠脚_則瞄準(zhǔn)整個生存期中收入在1500萬以上的高性能設(shè)計。

　　基于陣列的平臺

　　基于陣列的平臺這一概念出現(xiàn)已經(jīng)有10多年了，一般被稱為“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(xiàn)這種產(chǎn)品并不成功。問題在于：每個客戶所希望的存儲器的大小并不相同，過大的、固定的存儲模塊將帶來額外開銷過高的問題，而這意味著成本的上升。集成電路裸片面積，亦稱為Silicon real estate，在10年前是決定器件成本的一個關(guān)鍵因素。時代已經(jīng)變了。隨著今天器件復(fù)雜程度的增加，影響成本的關(guān)鍵無疑已經(jīng)變?yōu)樵O(shè)計工程師的薪水和掩膜版的費(fèi)用。硅片制造的成本已大為降低——現(xiàn)在少量的未被使用的裸片面積幾乎是不值錢的。由于系統(tǒng)的壽命期更短，上市時間已經(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間，而且讓設(shè)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(shù)目更少，而設(shè)計的復(fù)用程度大為提高。設(shè)計者只需對最終的金屬層掩膜版進(jìn)行自定制開發(fā)，所以采用0.13mm技術(shù)時典型的掩膜版更換成本為10萬美元，相比之下，基于單元的IC平臺的全套掩膜版更換成本高達(dá)65萬美元。在90nm技術(shù)下，掩膜版費(fèi)用的差異更大，因為一整套掩膜版的成本將超過130萬美元。

　　很多廠商—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是行動最為積極的廠商之一，極力推銷其RapidChip產(chǎn)品。LSI Logic在吸引新設(shè)計方面取得了實在的成果。LSI Logic開始是采用一個針對核心產(chǎn)品的更通用的平臺方法，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)ｉT針對具體應(yīng)用的方法，產(chǎn)品一開始針對存儲應(yīng)用的產(chǎn)品，現(xiàn)在則針對通信和消費(fèi)類應(yīng)用。很有可能出現(xiàn)的情況是，客戶開始開發(fā)自己的“定制平臺”，而讓某家廠商，如LSI Logic，來制造。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(shù)不多的幾家既看到數(shù)量不少的新設(shè)計(報道的設(shè)計超過了20項)、又交付了數(shù)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(qiáng)調(diào)了“低成本”的特點。AMI用Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) 的0.18mm工藝制造圓片基礎(chǔ)，而設(shè)法在自己的加工廠中用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)入市場的一家供應(yīng)商，已經(jīng)開發(fā)了類似FPGA的一種獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)，它的整個器件布滿了重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯模塊，客戶用最終的金屬掩膜層完成其互連。Chip Express力推與眾不同的、稱為“信息攢錢罐(Memory Pig)”的產(chǎn)品，它帶有大量嵌入式內(nèi)存。Altera是最新加入該市場的廠商，它帶來了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(xiàn)了多項設(shè)計。Altera實現(xiàn)了從其高密度Stratix FPGA產(chǎn)品直接到以掩膜進(jìn)行編程的部分的無縫過渡，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 開發(fā)出一種自下而上的基于陣列的平臺模型，它根據(jù)公司情況以及從典型的單項設(shè)計收入情況推算出的項目收入來估計從2002年到2007年的新設(shè)計數(shù)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(yù)測。我們作如下假設(shè)：

　　基于單元加PLD核的平臺

　　人們很長時間以來一直夢想著能將一個FPGA核嵌入到一個ASIC中，但從未曾實現(xiàn)。很多廠商都試圖實現(xiàn)這種產(chǎn)品，但沒有一家獲得過成功。LSI Logic和FPGA核供應(yīng)商Adaptive Silicon是最早幾家力推這一概念并試圖開發(fā)出相應(yīng)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，其他PLD核供應(yīng)商，如Actel和Leopard Logic，也積極推銷這一概念并開發(fā)出了產(chǎn)品，但它們發(fā)現(xiàn)自己也不能培育出市場，于是改變了它們的戰(zhàn)略發(fā)展進(jìn)程。

　　設(shè)計流程和成本是各家公司所遭遇的主要問題。FPGA設(shè)計流程不同于ASIC，LSI Logic等公司發(fā)現(xiàn)，將它們?nèi)跒橐惑w需要完成的工作量極為繁重。不過，在把第一代產(chǎn)品展示給潛在的客戶時，成本才是主要關(guān)心的問題。FPGA核占據(jù)了過多的芯片面積，所以從成本上來說是不可行的。

　　如今，3家公司正在開發(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，不過它們可是大企業(yè)，不可等閑視之。IBM(領(lǐng)先的ASIC供應(yīng)商)和Xilinx(領(lǐng)先的FPGA供應(yīng)商)已經(jīng)聯(lián)手開發(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ASIC和專用化標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)銷售額總和方面是業(yè)界的領(lǐng)袖。這些公司有很好的機(jī)會去開發(fā)基于單元加PLD核的平臺，將其塑造成規(guī)?？捎^的市場。由于它們是各自市場的領(lǐng)導(dǎo)者，IBM和Xilinx無疑對設(shè)計流程有很好的理解，因此很有可能它們能解決遇到的設(shè)計流程方面的問題。至于主要的成本問題，所有過去的嘗試都是基于0.13mm以上的工藝。IBM和Xilinx研究了成本問題，相信它們能讓90nm和90nm以下的工藝標(biāo)準(zhǔn)成為一種經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。系統(tǒng)公司正在探求這類器件的多種用途，包括解決芯片－芯片間通信問題、適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)以及修正芯片體內(nèi)的功能錯誤，而且最終器件也可以用于可定義的處理應(yīng)用。

　　我們相信，在2004年將看到IBM/Xilinx最早的設(shè)計開始進(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基于單元＋PLD核平臺的典型設(shè)計，它有3年的產(chǎn)品壽命期，每年的收入將達(dá)到約5~7百萬美元。我們還預(yù)計設(shè)計數(shù)量將很少，但總的收入到2007年可達(dá)上億美元的水平。STMicroeletronics是市場上的“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(jù)表明它在印度有一支龐大的、正在開發(fā)FPGA核的設(shè)計隊伍，據(jù)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，它將開發(fā)一種FPGA產(chǎn)品，該公司毫無疑問為塑造一件成功的產(chǎn)品而撥出了R&D預(yù)算。時間將會揭開答案。

　　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(shè)計，雖然其預(yù)期的數(shù)量會很低，但每項設(shè)計的收入將高得驚人。大的系統(tǒng)公司正在設(shè)法生成各公司專有的平臺，這些平臺可以用于多方面的大批量市場，每項設(shè)計的收入將超過5000萬美元。系統(tǒng)公司們可以獲得大量的、常常嵌入到器件中的功能，然后通過改變整套掩膜的辦法根據(jù)每項應(yīng)用的情況對芯片的某一部分進(jìn)行專門定制。雖然這并不象基于陣列的平臺方法那樣節(jié)省掩膜版的費(fèi)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(tǒng)的基于單元的IC產(chǎn)品相比，它能縮短上市時間，降低總的設(shè)計費(fèi)用，因為它的設(shè)計復(fù)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是兩個范例，我們預(yù)計以后更多的公司亦將跟進(jìn)。IBM是基于單元的IC市場上的領(lǐng)導(dǎo)者，已經(jīng)開發(fā)出一種稱為“CCP”的基于單元的平臺。這種產(chǎn)品瞄準(zhǔn)了客戶希望能縮短上市時間和降低設(shè)計成本的大批量和高性能產(chǎn)品市場。Texas Instruments提供了一種基于單元的、稱為“OMAP”平臺產(chǎn)品，它針對無線通信市場。種類繁多的基于單元的平臺正在進(jìn)入市場，故這方面的市場形勢很難跟蹤。很大一部分傳統(tǒng)的基于單元式IC的市場將轉(zhuǎn)移到平臺化方法上來，因為它能保證更短的上市時間和更低的成本。

　　FPGA 搶奪平臺化ASIC的市場

　　FPGA供應(yīng)商正在開發(fā)新型的平臺產(chǎn)品，其目標(biāo)是攫取一塊新興的平臺化ASIC(介于傳統(tǒng)的FPGA和基于單元的IC之間)所占據(jù)的市場。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(shè)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10年快結(jié)束前占到所有FPGA設(shè)計的1/3以上。雖然啟動的FPGA設(shè)計的數(shù)目不少，但不應(yīng)忘記的是，每項FPGA設(shè)計平均的價值并不與ASIC設(shè)計的相等。FPGA設(shè)計的價值要低得多，因為FPGA設(shè)計的相當(dāng)大一部分只是用于樣機(jī)驗證方面，只會運(yùn)行幾行代碼。

　　我們預(yù)計帶軟處理器核的FPGA將在該市場上占據(jù)最大的份額，占到2010年啟動的FPGA平臺設(shè)計總數(shù)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(shè)計軟件包，Xilinx已經(jīng)出售了數(shù)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)界取得了長足進(jìn)步。這一市場上的兩個玩家是推出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 ，只有客戶要求時，才將其包括進(jìn)去。

　　Xilinx顯然是采取了“推的戰(zhàn)略”——它無論客戶需要與否都提供PowerPC核，堅信用戶將發(fā)掘出該處理器的用處，最終采用它。Xilinx已經(jīng)開始見到這種策略帶來的成功，圍繞它的新設(shè)計數(shù)開始飆升。它已經(jīng)賣出約5,200套用于激活其Virtex器件中的PowerPC核或32bit MicroBlaze軟件核的設(shè)計軟件包。我們根據(jù)交付的評估板數(shù)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核購買的此類軟件包中的一半左右，今年內(nèi)至少要生成一項設(shè)計，使得該公司2003年有約1300項采用PowerPC核的新設(shè)計啟動。不少領(lǐng)域，包括軍事/空間、通信(網(wǎng)絡(luò))、數(shù)據(jù)處理(打印機(jī)和復(fù)印機(jī))及工業(yè)等都開始采用該產(chǎn)品。假設(shè)Xilinx在業(yè)界有約100,000個設(shè)計位置(這意味著約2.6%的客戶有一套設(shè)計軟件可以激活PowerPC核)而1.3%已經(jīng)生成了一項設(shè)計。到目前為止，對于設(shè)計啟動而言，考慮到該產(chǎn)品出現(xiàn)時間不長，這無疑是相當(dāng)可觀的成果，但對成功與否的真正衡量標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，但應(yīng)用的范圍還是小于Xilinx包括在Virtex－II Pro中的PowerPC，更遠(yuǎn)小于Altera獲得極大成功的軟Nios 處理核。 我們相信 Altera的基于Excalibur的新設(shè)計啟動數(shù)約為50項左右，而采用其Nios核的新啟動的設(shè)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

　　每一種類型的平臺化產(chǎn)品都給市場帶來了價值，對于特定的應(yīng)用來說，最好的選擇將取決于應(yīng)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(shè)計啟動數(shù)

　　Gartner Dataquest 采用一個自下而上的模型來估計每年新啟動的采用平臺化ASIC技術(shù)的設(shè)計的數(shù)量。我們進(jìn)行了不公開的調(diào)查，了解各家公司在每種類型的平臺上開發(fā)的、新啟動的設(shè)計有多少，然后將整個行業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。圖2示出，2003年將有超過100件的平臺化ASIC設(shè)計完成，而2004年將有近250件設(shè)計出現(xiàn)，我們預(yù)計2007年將會有1200件以上的設(shè)計出現(xiàn)。我們的前提假設(shè)如下：