FPGA：矢志不移 奔向未來

從小池塘里的大魚到大海里的小魚

"展望整個半導體市場，只有FPGA是黑暗中的亮點。"這句話雖然夸張，卻也不無道理。這兩年來，FPGA的價格、功耗在不斷降低，同時性能越來越高，加上它靈活的可編程特性，非常適合目前對成本、功耗、產品個性化和快速上市的苛刻要求。過去，FPGA以其復雜龐大的架構，主要定位于電信市場等對速度、性能要求很高的領域。而現在，FPGA已經可以應用到更廣泛的領域中去了，高端消費類電子、HDTV、PDA、醫療、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，而現在，非電信市場正以25%的速度增長，消費類電子市場的份額已經達到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，雖然占領了可編程邏輯市場55%的市場份額，但整個目標市場總共也就50億美金，而現在不斷拓展的廣泛應用使得我們就如暢游在大海中的小魚，目標市場涵蓋了高端FPGA、ASSP和ASIC、嵌入式平臺、DSP等領域，整個市場規模達到400-500億美金甚至更多，FPGA有巨大的發展空間。"

挑戰技術極限靠膽識 靠實力

那么，到底是什么原因讓FPGA突破了狹窄的市場局限，走向更廣泛的應用呢？Bolsens先生為我們詳細分析了這個問題。

首先，FPGA廠商一直都在積極地采用最先進的半導體生產工藝技術。從130nm到90nm，再到65nm。越來越先進的生產工藝會大大提高FPGA電路的集成度和性能，減少成本、尺寸和功耗。但另一方面，更先進工藝技術對晶體管的特性和FPGA廠商的技術實力及資金實力都是極大的挑戰。更小的納米工藝會改變晶體管的特性，電壓飽和，泄漏電流增大，這就要求FPGA廠商必須找到技術上的解決辦法；此外，每次更新生產工藝都意味著巨大的資金投入和更長的投資回報期，只有資金雄厚、擁有廣泛應用市場、足夠大的批量做后盾的公司才有實力承擔。Altera、Xilinx這對FPGA行業的雙雄一直都在馬不停蹄采用更先進的半導體工藝，不斷推出基于新工藝的產品，據了解，兩家廠商正緊鑼密鼓地謀劃45nm產品的研發，再一次挑戰技術極限，估計45nm FPGA產品的面世也是指日可待的事情了。

此外，在架構上，FPGA集成進去更多硬核，以滿足特定市場的特定需求，比如PCIe、DSP、以太網總線、串行收發器等。

在功耗上，FPGA廠商找到了特定的技術來減少因更先進的納米技術帶來的晶體管泄漏電流，適時關閉暫時不使用的邏輯單元和功能來降低功耗，同時通過軟件來幫助客戶優化性能?？傊?，FPGA廠商從整個設計鏈的每一個環節進行全面優化，讓客戶可充分享受先進納米技術帶來的性能、成本和價格優勢。

除了以上這些方面，賽靈思還提供很多標準的IP給客戶，并為一些熱門應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用市場提供定制化的平臺?？偟膩碚f，賽靈思為客戶提供的是從通用器件到專用市場的全面解決方案，只有這樣才能有足夠的實力應對市場和資金上的挑戰和風險。

市場給FPGA帶來巨大機遇

Bolsens先生進一步分析了為什么"FPGA成為半導體市場上的一大亮點"。事實上，是終端市場的發展為FPGA帶來了更多機遇。在終端市場上，音頻、視頻和數據的同步處理成為一個主要趨勢，包括數字電視、便攜式產品、醫療、汽車等應用都要求對音頻、視頻和數據進行同時傳輸和處理，這稱為三重播放。三重播放的實現要求具備三方面的能力，其一，數字信號處理能力，能夠處理音視頻和數據信號；其二，高速運算能力，對數據進行分析；其三，包處理能力，負責數據的傳輸。FPGA在這個趨勢上扮演一個非常重要的角色，既支持基礎設施，也支持終端產品。以賽靈思的產品來說，對三重播放基礎設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計，比如有非常強大的DSP處理功能，有強大的互聯功能，以及提供強大的運算功能，能夠支持企業級和電信級的應用。對消費電子這些大規模應用的領域，賽靈思的Spartan產品，可以對用戶的設計進行保護。Spartan產品線上最新的一員就是Spartan-3A DSP。

在數字信號處理能力方面，目前基于處理器的數字信號處理器都有一個處理能力的上限， 5G/s。但目前正在出現的一些消費電子類的應用，都要求有5G-30G/s的速度。傳統的基礎結構和基站對運算量的要求更是達到350G/s。為了順應這個性能要求，賽靈思一個最重大的改進就是把以前的邏輯單元替換成DSP，同時在持續地達到這個運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，網絡安全、3D等都會用到包處理。在互聯性方面，很多新的互聯標準不斷推出，系統需要一個可編程的接口來兼容這些標準。和專用芯片比起來，FPGA擁有10倍的速度，而成本和功耗降低10倍。

在計算能力方面，FPGA最早是通過PCI和處理器連到一起，來滿足計算處理能力的要求。最新的進展是FPGA可以直接和主處理器連接，而不需要通過南北橋、總線來進行連接，同時能夠訪問它的內存，在該階段FPGA作為協處理器形式出現；而在最新的第三階段，在多核系統里，FPGA作為與處理器對等的角色出現，FPGA地位已經上升成為處理器平等、合作的伙伴關系。這種對等結構非常新，同時也有很多技術挑戰。

在高速運算領域里，FPGA的功耗有絕對的優勢，省卻了散熱器、處理器總線這些體系結構的限制，從而達到很高的I/O處理能力。此外，還有一個非常重要的因素就是軟件與硬件的完美結合，用軟件直接進行優化，這方面需要FPGA廠商的合作伙伴投入很大的工作量。

生態圈比以往更加重要

Bolsens先生特別強調了FPGA產業生態圈的重要性。對于現在的FPGA廠商來說，一個很大的挑戰在于FPGA各種各樣的創新應用越來越多，FPGA廠商自己都無暇顧及這些嶄新的應用，此外，軟硬件的協同設計，尤其是通過軟件加強對終端市場的應用進行定制化設計，為嶄新的應用提供解決方案，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FPGA在更廣泛市場的應用，建立一個FPGA產業的生態圈比以往都更加迫切和必要。

在中國市場上，賽靈思的思路主要有兩方面。第一，賽靈思將對于能夠幫助賽靈思建立產業鏈的合作伙伴進行投資，比如那些剛剛創辦的公司，他們或者能夠在FPGA基礎上進行創新，或者能夠使FPGA實現更簡單的應用，它們對FPGA進入新的市場領域起著非常關鍵的作用。賽靈思正在積極尋求能夠和該戰略相聯系的新興初創公司，如果他們能夠提供更好的有吸引力的商業模式，就會向他們投資。其二，建立更好的合作伙伴的生態系統關系，比如培訓和教育，使那些從來沒有用過賽靈思產品的工程師能發現其中的潛力并學會使用它。大學對推動和宣傳FPGA是一個非常好的地方。賽靈思和許多國際知名大學已經進行了成功的合作。比如賽靈思在美國德州的Rice大學開發了一個通用的平臺，并形成了一個很大的學術界社區，社區里提供開放源碼的軟件和參考設計，還提供各種各樣設計。在包處理領域里，賽靈思在斯坦福大學支持做路由器開放源碼的項目，很多學校都在該項目的基礎上做各種各樣的研究、教學和應用。這些項目匯集了美國50多個頂級大學參與研究。賽靈思同時也希望中國頂尖的大學能夠參與進來。

去年年底，賽靈思在亞太區設置了一項7500萬美元的技術基金，專門用于投資初創公司和大學的培訓教育與合作項目。幾個最大的投資焦點集中在監控、醫療、無線和網絡安全等FPGA會獲得很多機會的領域。賽靈思對于孵化基地和孵化中心這樣類型的地方也有合作的興趣，同時也在尋求和中國風險投資以及全球的風險投資在中國合作的機會。

"FPGA最終將成為嵌入式系統的心臟，而中國是FPGA技術潛力最大的市場，在中國建立FPGA產業的生態系統意義重大，勢在必行。" Bolsens先生最后強調道。