FPGA或將成為電子系統制造商救命利器

更廣泛的FPGA應用模式

最近由電子系統設計（EE Times）雜志的 Piper Jaffray以及Kirtland 空軍 基 地 FPGA任務保證中心（FPGA Mission Assurance Center）進行的最新研究證實了業界人士的直覺判斷： 門陣列、結構化ASIC和基于單元的ASIC產品應用已經進入停滯期，而在所有類別中FPGA替代這些產品的情況都很普遍。 門陣列產品的趨勢特別明顯，65%的受調查者認為門陣列的使用將保持穩定，而12.8%的人則認為會大大減少。與此相比，72%以上的人認為FPGA的使用將大幅增加，僅有27%的人認為將會保持穩定。 沒有人認為FPGA的使用會減少。

過去幾年時間里，賽靈思已經從全球市場發展過程中感受到了這一趨勢，公司在工業、消費以及汽車等市場的營收均有大幅增長。 同時，FPGA在中國和歐洲被更廣泛地應用于下一代無線通信系統之中。2006年開始推出的Virtex-5 FPGA系列正在成為賽靈思公司銷售額最大的Virtex系列。

系統設計人員，無論是從事消費產品還是工業控制領域的應用設計，都報告說正在考慮將FPGA用于多種應用之中。這部分是由于開發和生產專用IC的成本不斷飆升。 現在，FPGA已經從最初主要應用于原型設計逐漸延伸到最終產品的整個生命周期。 對于專用IC開發來說，其成本回收需要銷售大量的器件才可接受。 不然，相對較高的單件成本， FPGA器件與專用IC之間的成本差異就不是那么重要了。

隨著FPGA被應用于新的基帶無線和圖像處理系統，使用FPGA的工程師 群 體 也在擴大。 20世紀90年代，FPGA的用戶 群 體 幾乎主要由硬件設計師構成。 今天，豐富的IP內核和用戶友好的EDA工具使得系統集 成 人 員、DSP開發人員，甚至嵌入式軟件工程師采用FPGA進行創新變得更為容易。 在FPGA用戶方面，Piper-Jaffray的研究表明73%的用戶在從事嵌入式設計。調查過程中74%的人在其從事的項目中采用了嵌入式處理器。硬內核處理器，特別是Power 架構的嵌入式處理器，處于領先地位。同時賽靈思Microblaze 處理器這樣的可綜合軟內核處理器也在快速發展。

沒有哪個領域能夠比航空航天和國防領域使用可編程邏輯更為廣泛了。 軍用合同商中轉向FPGA解決方案的速度如此之快，數量如此之多，以致于空軍研究實驗室（Air Force Research Labs）在新墨西哥的Kirtland空軍 基 地 專門新成立了FPGA任務保證中心（FPGA Mission Assurance Center ）。 推動主承包商和分承包商們采用FPGA的因素包括：更大成本競爭力、軍用航空航天系統標準的不斷演化以及安全、空間通信和航空電子學對可重新編程能力的需要。 盡管Piper-Jaffray調查中回答明年將會雇傭更多FPGA設計人員的比例達到42%，但航空航天和國防行業的這一數字卻達到了48%。

可編程技術勢在必行

在2001年的經濟低迷時期，產品開發的趨勢就很普遍。如今的2008-2009年，面對經濟和商業形勢的雙重危機，這種趨勢更加變得勢不可擋。 2009年每家企業最熟悉的口頭禪就是 “少花錢多辦事”，這意味著員工數量減少、預算緊張、市場窗口縮小以及產品生命周期更短。 同時，企業首席財務官（CFO）更強調降低風險。這也意味著企業在財務上更為保守，必須更為小心地限制在新市場中的投資。 此外，要求新產品開發人員還必須要不斷增加亮點，例如新產品，即使是功能更豐富了，也必須在成本和功耗方面展示出更多優勢。 面對更強烈的產品差異化需求和更為緊張的預算，設計人員看起來真有點無所適從。

現在，轉向可編程解決方案的時機已經成熟。 在FPGA行業的早期，可編程邏輯主要用于系統外圍，做為I/O系統或第二層控制子系統的膠合連接邏輯。 今天，FPGA已經應用于系統的核心。 當FPGA被用于中心控制或數字信號處理（DSP）任務時，所有的系統差異都可在FPGA內實現。 即使是FPGA僅僅作為標準CPU或DSP的配角時，產品設計的許多亮點可能也是通過FPGA實現的，因為FPGA能夠大幅提升性能和功能。 無論是在哪種情況下，FPGA的角色都在改變系統中IC設計的方式。

在當前企業普遍面臨財務困難的時候，轉向FPGA在財政上的可行性更大。 現在的工程預算很難平衡傳統專用IC設計流程不斷增長的沉沒工程（NRE）成本。 FPGA提供了比任何專用IC設計方式更低的設計成本。

事實上，當賽靈思CEO Moshe Gavrielov說到“可編程技術勢在必行”（the programmable imperative）的時候，他實際的含義是指當前的形勢幾乎強制要求從傳統ASIC轉移到可編程解決方案。 對于傳統門陣列和基于單元的ASIC來說，隨著每個工藝節點的演進，其NRE成本都飛速增長。 例如，從90nm 發展到 65nm 工藝，傳統ASIC設計的前期成本大幅提高。 行業研究企業iSuppli 報告說傳統ASIC營收在整體邏輯IC營收中的比例從2000年的32%下降到了2008年的20%。 在當前的金融形勢下，甚至ASSP的開發商也面臨巨大的壓力，特別是當特定器件所針對的終端市場也形勢不妙的情況下更是如此。

當然，傳統ASIC并不會明天就消失。 ASIC面向的是產量極高的穩定產品。 然而，單靠最終產品數量的增長，即使是批量達到數萬甚至數百萬，也無法負擔ASIC掩膜成本。從90nm到32nm，ASIC掩膜成本從約100萬美元飆升到了約1200萬美元。 對于EDA工具供應商來說，為了跟上工藝技術的發展需要投入更多研發資源，因此服務于專用架構的EDA工具價格也上升很快。 另一方面，現在的FPGA使得系統設計企業或部門能夠不必直接負擔IC開發的成本就可以充分利用先進的工藝技術所帶來的優點。