結構化ASIC：路越走越寬

在美國加州舉辦的 “Electronic Summit 2006”上，可編程邏輯器件領先供應商Altera公司首席執(zhí)行官John Daane說，隨著半導體技術的發(fā)展，CPLD器件已經(jīng)不再是“奢侈品”，而是成為能夠取代ASIC用于消費電子產(chǎn)品的器件。

一種新的技術或設計方案初期登場時，總是伴隨著不同的爭議，甚至競爭對手跳出來奚落一番也并不稀奇。4年前當結構化ASIC甫一問世，就有人聲稱它只不過是試圖使瀕臨死亡的ASIC復活，這種嘗試是注定要失敗的。4年后隨著結構化ASIC的不斷發(fā)展，它不僅被業(yè)界逐漸認可，成為各種研討會上熱議的焦點話題，還被一些大型芯片供應商所采用，作為解決芯片快速上市或研發(fā)預算緊張等問題的對策。

結構化ASIC受老牌芯片供應商青睞

Altera公司是支持結構化ASIC發(fā)展的重量級廠商，HardCopy是其典型的結構化ASIC方案。據(jù)悉，目前其HardCopy產(chǎn)品占公司總收入的4%，預計兩年之內會上升到10%?15%。而且, HardCopy系列是目前Altera成長最快的產(chǎn)品線，LG、Philips、摩托羅拉和NEC等國際知名廠商都已經(jīng)成功在其產(chǎn)品設計中采用了HardCopy方案。而最近加入到HardCopy用戶之列的是老牌半導體廠商TI，該公司已在其數(shù)字光處理器（DLP）芯片組中選用了HardCopy結構化ASIC。在此之前，英飛凌宣布采用HardCopy開發(fā)了一款面向Ethernet-over-Sonet(EoS)應用的器件。

市場調研機構更是表示看好結構化ASIC的市場前景。據(jù)Gartner預測，到2008年，結構化/平臺化ASIC市場的年均綜合增長率將達到82%。而In-Stat公司也預計，結構化ASIC市場在2009年將增長到25億美元，而這一數(shù)字在2004年僅為2億美元。

結構化ASIC發(fā)展的市場驅動力來自于消費電子市場的變化。消費電子市場變化日益加快，需要生產(chǎn)周期也越來越短的特性，迫使IC賣主必須在盡可能短的時間內設計出滿足客戶需求的器件，同時還要給客戶留有更多靈活性。CPLD技術的發(fā)展使其成本降低到消費電子產(chǎn)品可以承受的范圍，其靈活的性能為器件廠商贏得了寶貴的上市時間。

Daane表示，目前的 PLD 與最初的可編程邏輯器件大不相同。過去的 PLD 僅是一種原型平臺，而目前的可編程市場產(chǎn)品種類多種多樣。從適合簡單粘貼邏輯型應用的低密度、低成本 CPLD 直至 FPGA，其中包括的邏輯元件從 2,000 到 180,000 個不等，價格從不足 2 美元到 1,000 美元不等。目前的最新型 CPLD 借鑒了FPGA 架構的特性，隨著設計工程師將把 CPLD 設計推進到一個新的高度，CPLD 和 FPGA 之間的界線在2006年以后還將繼續(xù)模糊。

Daane 進一步指出，在發(fā)展迅速的消費類市場上，Altera低密度Cyclone系列器件以及高密度Stratix FPGA和HardCopy系列結構化ASIC逐步得到了認可。Altera可編程解決方案逐漸受到歡迎的典型案例是Sanyo背投電視和家庭娛樂LCD投影儀PLV-Z4采用了Stratix器件。利用Stratix FPGA嵌入的Nios II處理器，Sanyo開發(fā)了低成本的高級圖像處理和增強功能——這是ASSP、昂貴的ASIC和傳統(tǒng)處理器難以實現(xiàn)的。

在ASIC和FPGA之間找到第三條路

在過去相當長的時間內，ASIC和FPGA一直是電子設計的主流技術，二者不同的技術特征造就了它們應用于不同的市場——ASIC被用于大批量的專用產(chǎn)品，以盡可能攤薄高額的設計與制造成本，實現(xiàn)良好的性價比；FPGA雖單價昂貴，但由于其可編程的靈活性廣受小批量應用的青睞。但近年來半導體市場發(fā)生了顯著的變化，打破了二者之間的平衡，產(chǎn)品面市時間的壓力加之對產(chǎn)品設計的快捷性和靈活性要求的提升，使得FPGA的發(fā)展勢頭強勁,但是原有FPGA架構固有的弱點——如功耗高、速度慢、資源冗余、價格昂貴等使其在面對復雜功能設計的要求時還是會感到吃力，因此人們開始考慮通過技術上的融合在ASIC和FPGA之間找到一條“中間道路”，在其中，結構化ASIC可以說是最成功的嘗試。

比如，Altera推出的結構化ASIC方案——Hardcopy,是一種把FPGA轉換為ASIC的平臺，用戶可以使用Stratix FPGA進行原型驗證，一旦設計穩(wěn)定，可以用Hardcopy來直接替代FPGA進行生產(chǎn)，成本降低70%，而且不用更改電路板。由于結構化ASIC兼具有標準單元ASIC的性價比和FPGA低風險的優(yōu)勢，并大大簡化了設計過程，因此被某些分析師看作是最有希望的新一代半導體器件。

In-Stat的ASIC/ASSP首席分析師Jerry Worchel認為，“如果你尋找一種高復雜度但需求量小的芯片，F(xiàn)PGA是不二選擇。如果你需要1000至20000單元，而成本要在你的系統(tǒng)預算約束內，則FPGA也是一種好方法。但你肯定不會買10萬單元單價5美元的FPGA,這就是結構化ASIC的市場了。”

頻率和功耗之間的平衡

從半導體設計及制造方面來說，由于芯片工業(yè)幾近達到功耗和密度的極限，這迫使半導體廠商必須找出變通之道。Altera開發(fā)了使用65納米工藝的可編程硅架構，客戶可以根據(jù)自己的應用選擇頻率和功耗的組合。Daane在接受記者采訪時說：“功耗是芯片設計的一個關鍵因素。能量損耗是我們遇到的一個大問題。單靠降低電壓已經(jīng)不能解決問題了。由于不能再降低電壓，提高密度和頻率也就不容易了。”

所以Altera提出了“性能夠用即可”的理念。也就是說客戶可以在一個架構中為具體應用選擇所需的頻率和功耗級。Altera把這稱為功耗優(yōu)化設計。

Daane認為,可編程邏輯需要較高的工藝水平。他說：“我們比其他無廠房半導體公司有更多的工藝工程師。”據(jù)Daane說，在工藝技術上高投入的結果是，Altera公司90納米產(chǎn)品的利潤高于公司的平均利潤水平，而競爭對手Xilinx曾公開表示其90納米產(chǎn)品的利潤低于公司的平均利潤水平。