FPGA：22年從配角到主角

    任何一個(gè)從事后看來(lái)很成功的新事物從誕生到發(fā)展壯大都不可避免地經(jīng)歷過(guò)艱難的歷程并可能成為被研究的案例，FPGA也不例外。1985年，當(dāng)全球首款FPGA產(chǎn)品——XC2064誕生時(shí)，注定要使用大量芯片的PC機(jī)剛剛走出硅谷的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，因特網(wǎng)只是科學(xué)家和政府機(jī)構(gòu)通信的神秘鏈路，無(wú)線電話笨重得像磚頭，日后大紅大紫的Bill Gates正在為生計(jì)而奮斗，創(chuàng)新的可編程產(chǎn)品似乎并沒(méi)有什么用武之地。

　　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(shù)字信號(hào)處理、高速串行收發(fā)器和嵌入式處理器，F(xiàn)PGA真正地從配角變成了主角。在以閃電般速度發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)里，22年足夠改變一切?！霸谖磥?lái)十年內(nèi)每一個(gè)電子設(shè)備都將有一個(gè)可編程邏輯芯片”的理想正成為現(xiàn)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(shù)量不超過(guò)1000個(gè)。22年后的2007年，F(xiàn)PGA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(shù)量已經(jīng)達(dá)到千萬(wàn)級(jí)，晶體管個(gè)數(shù)更是超過(guò)10億個(gè)。一路走來(lái)，F(xiàn)PGA在不斷地緊跟并推動(dòng)著半導(dǎo)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(jì)80年代中期，可編程器件從任何意義上來(lái)講都不是當(dāng)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(xiàn)了，但是一直被認(rèn)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(xiàn)，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(xiàn)能力。PAL被視為小規(guī)模/中等規(guī)模集成膠合邏輯的替代選擇被逐步接受，但是當(dāng)時(shí)可編程能力對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)仍然是陌生和具有風(fēng)險(xiǎn)的。20世紀(jì)80年代在“mega PAL”方面的嘗試使這一情況更加嚴(yán)重，因?yàn)椤癿ega PAL”在功耗和工藝擴(kuò)展方面有嚴(yán)重的缺陷，限制了它的廣泛應(yīng)用。

　　然而，Xilinx公司創(chuàng)始人之一——FPGA器件的發(fā)明者Ross Freeman認(rèn)為，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如果實(shí)施得當(dāng)?shù)脑?，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(shè)計(jì)，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(qū)營(yíng)銷(xiāo)董事鄭馨南所言，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA由配角到主角，很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是以FPGA為中心來(lái)設(shè)計(jì)的。FPGA走過(guò)了從初期開(kāi)發(fā)應(yīng)用到限量生產(chǎn)應(yīng)用再到大批量生產(chǎn)應(yīng)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(xiàn)在強(qiáng)調(diào)平臺(tái)概念，加入數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式處理、高速串行和其他高端技術(shù)，從而被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

　　“過(guò)去20年來(lái)，PLD產(chǎn)品的終極目標(biāo)一直瞄準(zhǔn)速度、成本和密度三個(gè)指標(biāo)，即構(gòu)建容量更大、速度更快和價(jià)格更低的FPGA，讓客戶能直接享用?！盇ctel公司總裁兼首席執(zhí)行官John East如此總結(jié)可編程邏輯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展脈絡(luò)。

　　當(dāng)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(rèn)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，F(xiàn)PGA開(kāi)始被制造商認(rèn)為是可以用于制造工藝開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程的良好工具。事實(shí)證明，F(xiàn)PGA可為制造工業(yè)提供優(yōu)異的測(cè)試能力，F(xiàn)PGA開(kāi)始用來(lái)代替原先存儲(chǔ)器所扮演的用來(lái)驗(yàn)證每一代新工藝的角色。也許從那時(shí)起，向最新制程半導(dǎo)體工藝的轉(zhuǎn)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(jī)遇。

　　Actel公司相信，F(xiàn)lash將繼續(xù)成為FPGA產(chǎn)業(yè)中重要的一個(gè)增長(zhǎng)領(lǐng)域。Flash技術(shù)有其獨(dú)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(chǔ)的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信號(hào)Fusion FPGA將因具備Flash的固有優(yōu)勢(shì)而繼續(xù)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(jì)可編程邏輯器件市場(chǎng)在2006年的規(guī)模大概為37億美元，Xilinx公司的估計(jì)更為樂(lè)觀一些，為50億美元。雖然兩家公司合計(jì)占據(jù)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(dá)到41億美元，其后兩年出現(xiàn)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(zhǎng)，復(fù)合平均增長(zhǎng)率接近13%，但是PLD終究是一個(gè)規(guī)模較小的市場(chǎng)。而Xilinx公司也敏銳地意識(shí)到，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了過(guò)去幾年的快速成長(zhǎng)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(zhí)行官John Daane認(rèn)為，F(xiàn)PGA及PLD產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大機(jī)遇是替代ASIC和專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，主要由ASIC和ASSP構(gòu)成的數(shù)字邏輯市場(chǎng)規(guī)模大約為350億美元。由于用戶可以迅速對(duì)PLD進(jìn)行編程，按照需求實(shí)現(xiàn)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(shì)。然而，PLD通常比這些替代方案有更高的成本結(jié)構(gòu)。因此，PLD更適合對(duì)產(chǎn)品及時(shí)面市有較大需求的應(yīng)用，以及產(chǎn)量較低的最終應(yīng)用。PLD技術(shù)和半導(dǎo)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(duì)成本差，在以前由ASIC和ASSP占據(jù)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(xù)這一趨勢(shì)?！癋PGA和PLD供應(yīng)商的關(guān)鍵目標(biāo)不是簡(jiǎn)單地增加更多的原型客戶，而是向大批量應(yīng)用最終市場(chǎng)和客戶滲透。”John Daane為FPGA產(chǎn)業(yè)指明了方向。

　　Xilinx公司認(rèn)為，ASIC SoC設(shè)計(jì)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(nèi)將少33%的利潤(rùn)，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(yù)言：“FPGA應(yīng)用將不斷加快，從面向50億美元的市場(chǎng)擴(kuò)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)觀念居功至偉

　　雖然沒(méi)有像蒸汽機(jī)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(dāng)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(zhàn)了這一觀念，他大膽預(yù)言：“在未來(lái)，晶體管將變得極為豐富從而可以‘免費(fèi)’使用。”如今，這一預(yù)言成為現(xiàn)實(shí)。

　　“FPGA非常適用于原型設(shè)計(jì)，但對(duì)于批量DSP系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，成本太高，功耗太大?！边@是業(yè)界此前的普遍觀點(diǎn)，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)也為FPGA進(jìn)入DSP領(lǐng)域設(shè)置了觀念上的障礙。而如今，隨著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(qū)，相反卻成了FPGA未來(lái)的希望所在。

　　FPGA對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最大的貢獻(xiàn)莫過(guò)于創(chuàng)立了無(wú)生產(chǎn)線(Fabless)模式。如今采用這種模式司空見(jiàn)慣，但是在20多年前，制造廠被認(rèn)為是半導(dǎo)體芯片企業(yè)必須認(rèn)真考慮的主要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(shè)施來(lái)生產(chǎn)Xilinx公司設(shè)計(jì)的芯片對(duì)雙方都是有利的，于是，無(wú)生產(chǎn)線模式誕生了。

　　未來(lái)，相信FPGA還將在更多方面改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)！ linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）