FPGA：矢志不移 奔向未來

從小池塘里的大魚到大海里的小魚

"展望整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)，只有FPGA是黑暗中的亮點(diǎn)。"這句話雖然夸張，卻也不無道理。這兩年來，FPGA的價(jià)格、功耗在不斷降低，同時(shí)性能越來越高，加上它靈活的可編程特性，非常適合目前對(duì)成本、功耗、產(chǎn)品個(gè)性化和快速上市的苛刻要求。過去，FPGA以其復(fù)雜龐大的架構(gòu)，主要定位于電信市場(chǎng)等對(duì)速度、性能要求很高的領(lǐng)域。而現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已經(jīng)可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域中去了，高端消費(fèi)類電子、HDTV、PDA、醫(yī)療、安防等。就拿賽靈思公司來說，5年前，它90%的收入來自電信市場(chǎng)，而現(xiàn)在，非電信市場(chǎng)正以25%的速度增長(zhǎng)，消費(fèi)類電子市場(chǎng)的份額已經(jīng)達(dá)到15%。賽靈思公司CTO Ivo Bolsens形容，"過去賽靈思就象是小池塘里的大魚，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(biāo)市場(chǎng)總共也就50億美金，而現(xiàn)在不斷拓展的廣泛應(yīng)用使得我們就如暢游在大海中的小魚，目標(biāo)市場(chǎng)涵蓋了高端FPGA、ASSP和ASIC、嵌入式平臺(tái)、DSP等領(lǐng)域，整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到400-500億美金甚至更多，F(xiàn)PGA有巨大的發(fā)展空間。"

挑戰(zhàn)技術(shù)極限靠膽識(shí) 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(yīng)用呢？Bolsens先生為我們?cè)敿?xì)分析了這個(gè)問題。

首先，F(xiàn)PGA廠商一直都在積極地采用最先進(jìn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝技術(shù)。從130nm到90nm，再到65nm。越來越先進(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(duì)晶體管的特性和FPGA廠商的技術(shù)實(shí)力及資金實(shí)力都是極大的挑戰(zhàn)。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)工藝都意味著巨大的資金投入和更長(zhǎng)的投資回報(bào)期，只有資金雄厚、擁有廣泛應(yīng)用市場(chǎng)、足夠大的批量做后盾的公司才有實(shí)力承擔(dān)。Altera、Xilinx這對(duì)FPGA行業(yè)的雙雄一直都在馬不停蹄采用更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，不斷推出基于新工藝的產(chǎn)品，據(jù)了解，兩家廠商正緊鑼密鼓地謀劃45nm產(chǎn)品的研發(fā)，再一次挑戰(zhàn)技術(shù)極限，估計(jì)45nm FPGA產(chǎn)品的面世也是指日可待的事情了。

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

在功耗上，F(xiàn)PGA廠商找到了特定的技術(shù)來減少因更先進(jìn)的納米技術(shù)帶來的晶體管泄漏電流，適時(shí)關(guān)閉暫時(shí)不使用的邏輯單元和功能來降低功耗，同時(shí)通過軟件來幫助客戶優(yōu)化性能。總之，F(xiàn)PGA廠商從整個(gè)設(shè)計(jì)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面優(yōu)化，讓客戶可充分享受先進(jìn)納米技術(shù)帶來的性能、成本和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

除了以上這些方面，賽靈思還提供很多標(biāo)準(zhǔn)的IP給客戶，并為一些熱門應(yīng)用提供交鑰匙的方案，如視頻、無線等，以及為汽車電子等特殊應(yīng)用市場(chǎng)提供定制化的平臺(tái)?？偟膩碚f，賽靈思為客戶提供的是從通用器件到專用市場(chǎng)的全面解決方案，只有這樣才能有足夠的實(shí)力應(yīng)對(duì)市場(chǎng)和資金上的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。

市場(chǎng)給FPGA帶來巨大機(jī)遇

Bolsens先生進(jìn)一步分析了為什么"FPGA成為半導(dǎo)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帶來了更多機(jī)遇。在終端市場(chǎng)上，音頻、視頻和數(shù)據(jù)的同步處理成為一個(gè)主要趨勢(shì)，包括數(shù)字電視、便攜式產(chǎn)品、醫(yī)療、汽車等應(yīng)用都要求對(duì)音頻、視頻和數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)傳輸和處理，這稱為三重播放。三重播放的實(shí)現(xiàn)要求具備三方面的能力，其一，數(shù)字信號(hào)處理能力，能夠處理音視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)；其二，高速運(yùn)算能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；其三，包處理能力，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。FPGA在這個(gè)趨勢(shì)上扮演一個(gè)非常重要的角色，既支持基礎(chǔ)設(shè)施，也支持終端產(chǎn)品。以賽靈思的產(chǎn)品來說，對(duì)三重播放基礎(chǔ)設(shè)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門設(shè)計(jì)，比如有非常強(qiáng)大的DSP處理功能，有強(qiáng)大的互聯(lián)功能，以及提供強(qiáng)大的運(yùn)算功能，能夠支持企業(yè)級(jí)和電信級(jí)的應(yīng)用。對(duì)消費(fèi)電子這些大規(guī)模應(yīng)用的領(lǐng)域，賽靈思的Spartan產(chǎn)品，可以對(duì)用戶的設(shè)計(jì)進(jìn)行保護(hù)。Spartan產(chǎn)品線上最新的一員就是Spartan-3A DSP。

在數(shù)字信號(hào)處理能力方面，目前基于處理器的數(shù)字信號(hào)處理器都有一個(gè)處理能力的上限， 5G/s。但目前正在出現(xiàn)的一些消費(fèi)電子類的應(yīng)用，都要求有5G-30G/s的速度。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和基站對(duì)運(yùn)算量的要求更是達(dá)到350G/s。為了順應(yīng)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(xù)地達(dá)到這個(gè)運(yùn)算量所需要的功耗比過去反而降低了。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(biāo)準(zhǔn)不斷推出，系統(tǒng)需要一個(gè)可編程的接口來兼容這些標(biāo)準(zhǔn)。和專用芯片比起來，F(xiàn)PGA擁有10倍的速度，而成本和功耗降低10倍。

在計(jì)算能力方面，F(xiàn)PGA最早是通過PCI和處理器連到一起，來滿足計(jì)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，而不需要通過南北橋、總線來進(jìn)行連接，同時(shí)能夠訪問它的內(nèi)存，在該階段FPGA作為協(xié)處理器形式出現(xiàn)；而在最新的第三階段，在多核系統(tǒng)里，F(xiàn)PGA作為與處理器對(duì)等的角色出現(xiàn)，F(xiàn)PGA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(duì)等結(jié)構(gòu)非常新，同時(shí)也有很多技術(shù)挑戰(zhàn)。

在高速運(yùn)算領(lǐng)域里，F(xiàn)PGA的功耗有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，省卻了散熱器、處理器總線這些體系結(jié)構(gòu)的限制，從而達(dá)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(jié)合，用軟件直接進(jìn)行優(yōu)化，這方面需要FPGA廠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(qiáng)調(diào)了FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的重要性。對(duì)于現(xiàn)在的FPGA廠商來說，一個(gè)很大的挑戰(zhàn)在于FPGA各種各樣的創(chuàng)新應(yīng)用越來越多，F(xiàn)PGA廠商自己都無暇顧及這些嶄新的應(yīng)用，此外，軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，尤其是通過軟件加強(qiáng)對(duì)終端市場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，為嶄新的應(yīng)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(yīng)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(guó)市場(chǎng)上，賽靈思的思路主要有兩方面。第一，賽靈思將對(duì)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(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，或者能夠使FPGA實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的應(yīng)用，它們對(duì)FPGA進(jìn)入新的市場(chǎng)領(lǐng)域起著非常關(guān)鍵的作用。賽靈思正在積極尋求能夠和該戰(zhàn)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(tǒng)關(guān)系，比如培訓(xùn)和教育，使那些從來沒有用過賽靈思產(chǎn)品的工程師能發(fā)現(xiàn)其中的潛力并學(xué)會(huì)使用它。大學(xué)對(duì)推動(dòng)和宣傳FPGA是一個(gè)非常好的地方。賽靈思和許多國(guó)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(guó)德州的Rice大學(xué)開發(fā)了一個(gè)通用的平臺(tái)，并形成了一個(gè)很大的學(xué)術(shù)界社區(qū)，社區(qū)里提供開放源碼的軟件和參考設(shè)計(jì)，還提供各種各樣設(shè)計(jì)。在包處理領(lǐng)域里，賽靈思在斯坦福大學(xué)支持做路由器開放源碼的項(xiàng)目，很多學(xué)校都在該項(xiàng)目的基礎(chǔ)上做各種各樣的研究、教學(xué)和應(yīng)用。這些項(xiàng)目匯集了美國(guó)50多個(gè)頂級(jí)大學(xué)參與研究。賽靈思同時(shí)也希望中國(guó)頂尖的大學(xué)能夠參與進(jìn)來。

去年年底，賽靈思在亞太區(qū)設(shè)置了一項(xiàng)7500萬美元的技術(shù)基金，專門用于投資初創(chuàng)公司和大學(xué)的培訓(xùn)教育與合作項(xiàng)目。幾個(gè)最大的投資焦點(diǎn)集中在監(jiān)控、醫(yī)療、無線和網(wǎng)絡(luò)安全等FPGA會(huì)獲得很多機(jī)會(huì)的領(lǐng)域。賽靈思對(duì)于孵化基地和孵化中心這樣類型的地方也有合作的興趣，同時(shí)也在尋求和中國(guó)風(fēng)險(xiǎn)投資以及全球的風(fēng)險(xiǎn)投資在中國(guó)合作的機(jī)會(huì)。

"FPGA最終將成為嵌入式系統(tǒng)的心臟，而中國(guó)是FPGA技術(shù)潛力最大的市場(chǎng)，在中國(guó)建立FPGA產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)意義重大，勢(shì)在必行。" Bolsens先生最后強(qiáng)調(diào)道。