FPGA應用觸角延伸，走向平臺化

    FPGA的觸角愈來愈深入各應用領域，新開始的ASIC 設計項目已下降到每年 2000 個以下，而新開始的FPGA 設計已經增長到每年 80000 個以上。很明顯的趨勢是：未來FPGA廠商將從消費類和汽車電子領域獲得可觀的市場份額；基于FPGA的DSP功能設計將迅速增加；結構化ASIC以及平臺化FPGA器件正在改變固有的設計模式。

低成本FPGA
    ASIC掩膜成本的上升使FPGA在低于50萬片的中小批量項目中更具優(yōu)勢。如今量產型低成本FPGA，例如Altera的Cyclone系列和Xilinx的Spartan系列價格越來越低，FPGA在很多成本敏感的市場上與ASIC平分秋色，未來幾年汽車和消費類電子將是FPGA最期待的應用所在。
去年3月Xilinx發(fā)布了Spartan-3E系列，成本比Spartan剛推出時下降了30倍，而且售價不到兩美元。Xilinx中國/香港區(qū)經理陸紹強表示，去年底，最新的五款Spartan-3E系列已經全部量產，從提供樣片到完全量產只花了9個月時間。Spartan系列的累計收入超過了13億美元，現在占到Xilinx季度銷售額的24%以上。Spartan-3E可以被看作是消費電子用途的FPGA， Xilinx正在加大向機頂盒、DVD播放器、PDP顯示器和HDTV等中等批量、消費類產品市場的交付數量。
此外，Xilinx新推出了采用90nm工藝的Spartan-3E XA車用FPGA產品線，進一步降低了每系統(tǒng)門成本，Spartan-3E和Spartan-3E XA具有適合消費類和汽車電子產品的友好特征，例如，支持通用I/O標準，包括PCI 64/66、PCI-X 100、LVD-FPD連接、RSDS、mini-LVDS和DRAM接口等。例如Spartan-3E所支持的最小LVDS和RSDS標準允許工程師在視頻設計中去掉分立的驅動器。
    Altera在2002年底推出了低成本FPGA的主打產品—Cyclone系列， 隨后又推出了CycloneⅡ系列，容量比第一代產品增大了三倍以上，速度提升了75%。Cyclone系列FPGA出貨量在短短的兩年多時間內已超過1,000萬個，成為該公司歷史上增長最快的產品，其中至少一半進入了消費類電子領域。
    Altera對汽車市場也寄予厚望，Altera亞太區(qū)市場總監(jiān)梁樂觀認為，該市場將在2007年進入全面電子化，特別是駕駛倉控制的電子化會對系統(tǒng)芯片的需求大幅增加，CycloneⅡ組合NiosⅡ系列嵌入式處理器，能夠實現完整的可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)功能，ASIC和ASSP廠商不會馬上提供相應的產品，這是向汽車廠商推廣SOPC的大好機會。
    Actel的ProASIC3系列是基于閃存的FPGA，Actel公司產品事務總監(jiān)Martin Mason表示，ProASIC3 系列可以具有更好的安全性，同時擁有上電即用的優(yōu)勢，因此需要的板級器件很少，可以降低消費類產品的整體系統(tǒng)成本。對于汽車應用來說，基于閃存的FPGA擁有極佳的熱性能指標，可靠性也更高。
    Lattice剛剛推出了低成本的LatticeECP2系列FPGA，在大批量的情況下，價格降到每1000查找表(LUT)低于0.50美元。LatticeECP2增加了防止非法復制的措施，器件有片上非易失密鑰存儲器和解密電路，能用唯一的用戶密鑰對128位AES加密位流解密。

結構化ASIC
    結構化ASIC的設計正在興起，這種產品可以看作是FPGA與標準單元ASIC整合的折衷方案，其優(yōu)點在于可以實現ASIC的性能，開發(fā)時間縮短了6到9個月，成本只有FPGA原型的十分之一。Altera的HardCopy和HardCopy II 是結構化ASIC的典型代表。用戶可以采用Stratix II FPGA進行原型設計和測試，然后再移植到HardCopy II器件上。
    HardCopy瞄準的目標市場包括顯示、通信和存儲等等，目前基于HardCopy的設計正在持續(xù)增長中，Altera希望可以滿足每年至少100次投片試產的需求。
但是，其它FPGA供應商并不認同結構化ASIC的方案，例如，Xilinx無意進入結構化 ASIC 市場，相反，Xilinx提供一種稱為 EasyPath的客戶專用FPGA。EasyPath FPGA類似于基礎級FPGA，只用少量金屬掩膜就可以實現編程。在FPGA按照Xilinx專利的測試方法完成測試之后，仍然可以修改I/O和查找表。
    一旦客戶認為他們的設計已經確定并且不再需要FPGA的完全可編程性，客戶就可使用EasyPath FPGA導入量產，不需要從FPGA原型到ASIC或結構化 ASIC的轉換過程，沒有轉換差異或芯片差異。EasyPath FPGA可支持 20K 到200K門邏輯單元，從設計轉到批量生產只需要兩個月左右的時間。
    Martin Mason認為，如果將整體項目成本納入考慮范圍，Actel的ProASIC3 系列便能與結構化ASIC一爭長短。ProASIC3器件可于系統(tǒng)內編程，且是唯一能支持軟ARM7內核的FPGA。
同樣為了爭奪結構化ASIC的市場，Lattice在最新的LatticeSC FPGA中增加了低成本優(yōu)化(MACO)的掩膜陣列，每一片LatticeSC FPGA中嵌入了12個結構化的ASIC模塊，稱為MACO模塊。每個MACO模塊大約有5萬個ASIC門可用來實現IP內核。Lattice正在計劃推出一系列LatticeSC器件，這些器件將包含預制的、基于MACO模塊的多種高速通信協議和存儲控制IP內核。
可見，結構化ASIC和客戶專用FPGA都是降低成本的可取方法，有利于FPGA擴大應用規(guī)模。

基于FPGA的DSP方案
    在FPGA中包含DSP的設計變得越來越普遍，FPGA通過加速DSP算法的關鍵部分，可以補充傳統(tǒng)DSP處理器的不足。
    特別是多媒體音視頻和高速數字通信這兩個領域對數字信號處理能力的需求提升很快，諸如新出現的H.264編解碼算法以及WiMAX寬帶無線網絡標準，大都需要多通道實時處理能力和高復雜性算法，這些標準或算法的演進也給了FPGA用武之地，FPGA可以用作DSP的預處理器或協處理器，分擔DSP的處理任務。
    Altera率先在StratixⅡ中添加了嵌入式DSP模塊，StratixⅡ包含的專用乘法器可以加快乘累加操作的速度，這對許多DSP系統(tǒng)設計來說非常必要。另外StratixⅡ的邏輯單元也能夠實現乘法器和DSP功能。CycloneⅡ 器件內部的嵌入式乘法器更適合低成本的DSP應用，Altera也同樣提供MegaCore系列DSP IP 和DSP Builder開發(fā)工具。
    Xilinx去年在DSP方面的資金投入增加了30~40%，特別制定了XtremeDSP路線圖，最初的目標市場是數字通信、多媒體、視頻和成像(MVI)以及防御系統(tǒng)領域，它們的總和構成了超過80%的高性能DSP市場。 XtremeDSP計劃中的器件包括Xilinx較早之前推出的具有DSP功能和嵌入式乘法器的VirtexⅡ和VirtexⅡPro FPGA，2004年推出的低成本Spartan-3器件也包含了嵌入式乘法器，適合在大批量的場合用做DSP協處理器。最新的Virtex-4 SX FPGA專為DSP功能做了優(yōu)化，性能比之前的VirtexⅡPro FPGA超出兩倍多，功耗只有VirtexⅡ Pro FPGA的1/7。Xilinx表示今后將注重DSP架構器件在性能、成本以及應用方面的優(yōu)化。 
    Xilinx已經推出了XtremeDSP MVI解決方案的第一款產品，這個全新的視頻協處理套件的子卡基于Virtex-4 SX35 FPGA，每秒可處理77GMAC，可以幫助擴展TI DM642處理器的圖象增強以及視頻編解碼能力，同時Xilinx也在不斷更新針對DSP算法的軟件工具和DSP IP庫。

平臺化FPGA
    Xilinx推出的第三代Virtex器件Virtex II Pro系列引入了平臺化FPGA的概念，集成了可編程邏輯、存儲器、時鐘資源以及PowerPC處理器和千兆位高速串行I/O。第四代的90nm工藝的 Virtex-4多平臺FPGA的3個系列器件分別增強了邏輯、信號處理、高速串行連接和嵌入式處理的性能，與上一代器件相比性能提升了兩倍，功耗降低了50%。
    除了集成軟或硬處理器內核以及DSP功能，平臺化FPGA的顯著變化是增加了對高速串行連接的支持。例如集成622Mbps~10.3125Gbps串行收發(fā)器的Xilinx Virtex-4 FX60就支持目前所有流行的串行協議標準，包括PCI Express、串行RapidIO、千兆以太網和光纖信道。
    Altera發(fā)布了第三代帶有嵌入式收發(fā)器的StratixⅡGX系列FPGA，Stratix II GX串行收發(fā)器的工作速率在622Mbps~6.375Gbps之間，同樣支持多種協議標準。Altera將Stratix II GX定位在6.375Gbps而不是10Gbps，對此Altera的觀點是，目前單通道收發(fā)器協議要求的最佳范圍是1Gbps~5Gbps，在今后三年內將變成3.125Gbps~6.375Gbps，只有很少的用戶會實際使用到10Gbps的速率，但是實現10Gbps的性能需要在管芯、功耗和信號完整性上付出代價。因此對于那些少量應用10Gbps的場合，可以同時采用幾個高速收發(fā)器。
    Martin Mason表示，Actel的興趣在模擬和混合信號領域，為此，Actel于去年底推出了Fusion系列FPGA，這是一種能將混合信號的模擬功能、閃存以及FPGA結構集成在一起的單片可編程系統(tǒng)芯片。
    Fusion的硬件模塊包括模擬IP和閃存。其中，模擬IP可以根據具體的應用進行設置；其次是軟核，包括可配置的MCU(可以是ARM內核或者是8051)。在物理結構中，最有特色的是溝通各種外設的"融合主干"總線，連接了模擬IP、閃存、FPGA架構中的外設、系統(tǒng)應用以及MCU。 
    Martin Mason強調，Fusion的獨特之處在于將可編程邏輯帶入了目前只能采用分立模擬元件和混合信號ASIC的應用領域，例如電源管理、智能電池充電、時鐘生成和管理及電機控制等等，而Fusion器件在成本和靈活性方面的優(yōu)勢非常突出。相信平臺化的產品也是未來FPGA發(fā)展的趨勢所至。