平臺化ASIC迅速打開市場

摘   要：平臺化專用集成電路( Platform ASIC)是一類新推出的產(chǎn)品，其應用目標是減少上市時間和降低設計成本。從日漸增多的相應新設計可以看出，平臺化ASIC前景一片光明。

　　戰(zhàn)略規(guī)劃方面的前提假定

　　專用集成電路平臺將流行開來，在2007年以前，它將使每年新ASIC設計項目啟動數(shù)量升至1000項以上(0.8的概率)。帶處理器核的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在21世紀的頭10年末將占到全部FPGA設計數(shù)的1/3以上(0.7的概率)。

　　平臺化設計：技術自然發(fā)展的結果

　　平臺化ASIC是從以往推出的ASIC產(chǎn)品自然演化而成的一種技術。業(yè)界的技術平臺已經(jīng)從門演化至單元(cell)、到多核、再到今天的平臺，在平臺技術中，幾乎一半的芯片都已經(jīng)預先確定而且經(jīng)過了驗證，構成一個很大的組成模塊。它是微電子行業(yè)針對縮短上市時間、降低設計成本等要求而給出的解決方案，其方法正是設法實現(xiàn)高水平的設計復用。

　　隨著工藝技術從0.18mm轉(zhuǎn)向0.13mm和90nm，ASIC設計成本已經(jīng)比原先的水平增加了一倍以上，這使得大批用戶放棄了傳統(tǒng)的ASIC產(chǎn)品。傳統(tǒng)的、基于單元的ASIC，其總設計成本，包括掩膜成本和工程開發(fā)時間在內(nèi)，從1000萬美元上升到了1500萬美元。因此，如果要讓ASIC技術繼續(xù)在小型和中規(guī)模系統(tǒng)中找到應用的話，就必須采取一定的措施。ASIC供應商已經(jīng)給出了這一問題的答案：一族稱為平臺化ASIC的新型ASIC產(chǎn)品，其中的一些產(chǎn)品有時亦稱為結構化ASIC。平臺化ASIC極大地降低了設計成本，使之能作為一種經(jīng)濟的解決方案，應用于器件收入僅有150萬美元的設計中。

　　平臺化ASIC市場填補了傳統(tǒng)的FPGA和基于單元的IC之間的空白，F(xiàn)PGA公司也希望從這一新興的市場上分到自己的一份，已經(jīng)針對它推出了為數(shù)眾多的新產(chǎn)品。平臺化ASIC現(xiàn)在處于產(chǎn)品推廣的早期階段，正等待市場的接受，但這些產(chǎn)品的未來一片光明，因為對于能夠縮短上市時間和降低設計成本的解決方案來說，市場時機已經(jīng)成熟。

　　產(chǎn)品的界定

　　ASIC平臺，是一種通過將預先定義好的知識產(chǎn)權(IP)嵌入器件的方法、使得將近一半的芯片部分都可以 預先確定下來而且經(jīng)過驗證的產(chǎn)品形式——用戶只需對器件的一部分進行定制開發(fā)即可。Gartner  Dataquest 按產(chǎn)品類型將市場分為3類：

　　雖然現(xiàn)在業(yè)內(nèi)采用“結構化ASIC”(structured ASIC)一詞，但我們相信它的外延過于狹隘，主要在論及基于陣列的平臺產(chǎn)品時才使用。我們更愿意使用“平臺化ASIC”一詞，來涵蓋基于陣列的平臺、基于單元加PLD核的平臺和基于單元的平臺等3種產(chǎn)品。

　　產(chǎn)品分析

　　每一種類型的產(chǎn)品在市場上都有其價值，最終將由用戶來對每一種產(chǎn)品進行評估，并選出最符合其應用具體要求的產(chǎn)品。在選擇產(chǎn)品時，需要在很多因素間進行折衷取舍，包括性能、裸片尺寸、設計成本、上市時間和解決方案的總成本等，具體的方式取決于應用涉及的產(chǎn)品個數(shù)以及總價值。例如，基于陣列的平臺是針對整個生存期中收入可達100萬到1500萬美元的設計。基于單元的平臺則瞄準整個生存期中收入在1500萬以上的高性能設計。

　　基于陣列的平臺

　　基于陣列的平臺這一概念出現(xiàn)已經(jīng)有10多年了，一般被稱為“嵌入式陣列”(embedded array)。LSI Logic是首家提供將大存儲器模塊嵌入到陣列中的嵌入式陣列產(chǎn)品的公司，但它們發(fā)現(xiàn)這種產(chǎn)品并不成功。問題在于：每個客戶所希望的存儲器的大小并不相同，過大的、固定的存儲模塊將帶來額外開銷過高的問題，而這意味著成本的上升。集成電路裸片面積，亦稱為Silicon real estate，在10年前是決定器件成本的一個關鍵因素。時代已經(jīng)變了。隨著今天器件復雜程度的增加，影響成本的關鍵無疑已經(jīng)變?yōu)樵O計工程師的薪水和掩膜版的費用。硅片制造的成本已大為降低——現(xiàn)在少量的未被使用的裸片面積幾乎是不值錢的。由于系統(tǒng)的壽命期更短，上市時間已經(jīng)愈發(fā)變得重要。

　　Gartner Dataquest相信，新一族基于陣列的平臺的市場已經(jīng)成熟。與基于單元的產(chǎn)品相比，基于陣列的平臺可以縮短上市時間，而且讓設計成本保持在相對較低的水平上，因為基于陣列的平臺所需的自定制掩膜版數(shù)目更少，而設計的復用程度大為提高。設計者只需對最終的金屬層掩膜版進行自定制開發(fā)，所以采用0.13mm技術時典型的掩膜版更換成本為10萬美元，相比之下，基于單元的IC平臺的全套掩膜版更換成本高達65萬美元。在90nm技術下，掩膜版費用的差異更大，因為一整套掩膜版的成本將超過130萬美元。

　　很多廠商—包括LSI Logic、NEC、AMI Semiconductor、Fujitsu、Chip Express以及最近加入的Altera—已經(jīng)推出了基于陣列的平臺。LSI Logic是行動最為積極的廠商之一，極力推銷其RapidChip產(chǎn)品。LSI Logic在吸引新設計方面取得了實在的成果。LSI Logic開始是采用一個針對核心產(chǎn)品的更通用的平臺方法，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)ｉT針對具體應用的方法，產(chǎn)品一開始針對存儲應用的產(chǎn)品，現(xiàn)在則針對通信和消費類應用。很有可能出現(xiàn)的情況是，客戶開始開發(fā)自己的“定制平臺”，而讓某家廠商，如LSI Logic，來制造。NEC 也從基于陣列的平臺技術上獲取了成功。它躋身于為數(shù)不多的幾家既看到數(shù)量不少的新設計(報道的設計超過了20項)、又交付了數(shù)量頗多的產(chǎn)品且產(chǎn)量不斷上升的公司行列。

　　AMI推出了一項有趣的產(chǎn)品，它充分強調(diào)了“低成本”的特點。AMI用Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) 的0.18mm工藝制造圓片基礎，而設法在自己的加工廠中用0.25_m的金屬互聯(lián)按具體要求進行加工。Fujitsu是較新進入市場的一家供應商，已經(jīng)開發(fā)了類似FPGA的一種獨特的體系結構，它的整個器件布滿了重復的標準邏輯模塊，客戶用最終的金屬掩膜層完成其互連。Chip Express力推與眾不同的、稱為“信息攢錢罐(Memory Pig)”的產(chǎn)品，它帶有大量嵌入式內(nèi)存。Altera是最新加入該市場的廠商，它帶來了HardCopy，該產(chǎn)品已經(jīng)廣泛引起了人們的很大興趣，而且基于它出現(xiàn)了多項設計。Altera實現(xiàn)了從其高密度Stratix FPGA產(chǎn)品直接到以掩膜進行編程的部分的無縫過渡，從而可以免去可編程邏輯互聯(lián)，于是大大降低了器件的成本。

　　Gartner Dataquest 開發(fā)出一種自下而上的基于陣列的平臺模型，它根據(jù)公司情況以及從典型的單項設計收入情況推算出的項目收入來估計從2002年到2007年的新設計數(shù)量。圖1示出了Gartner Dataquest關于陣列化平臺ASIC的全球總收入的預測。我們作如下假設：

　　基于單元加PLD核的平臺

　　人們很長時間以來一直夢想著能將一個FPGA核嵌入到一個ASIC中，但從未曾實現(xiàn)。很多廠商都試圖實現(xiàn)這種產(chǎn)品，但沒有一家獲得過成功。LSI Logic和FPGA核供應商Adaptive Silicon是最早幾家力推這一概念并試圖開發(fā)出相應產(chǎn)品的公司之一，但它們遇到了很多困難，最終退出了該市場，其他PLD核供應商，如Actel和Leopard Logic，也積極推銷這一概念并開發(fā)出了產(chǎn)品，但它們發(fā)現(xiàn)自己也不能培育出市場，于是改變了它們的戰(zhàn)略發(fā)展進程。

　　設計流程和成本是各家公司所遭遇的主要問題。FPGA設計流程不同于ASIC，LSI Logic等公司發(fā)現(xiàn)，將它們?nèi)跒橐惑w需要完成的工作量極為繁重。不過，在把第一代產(chǎn)品展示給潛在的客戶時，成本才是主要關心的問題。FPGA核占據(jù)了過多的芯片面積，所以從成本上來說是不可行的。

　　如今，3家公司正在開發(fā)的有影響的產(chǎn)品只有兩種。雖然這些公司總共只有3家，不過它們可是大企業(yè)，不可等閑視之。IBM(領先的ASIC供應商)和Xilinx(領先的FPGA供應商)已經(jīng)聯(lián)手開發(fā)了一件采用90nm技術的產(chǎn)品。STMicroelectroncis 是其中的第3家公司，在ASIC和專用化標準產(chǎn)品(ASSP)銷售額總和方面是業(yè)界的領袖。這些公司有很好的機會去開發(fā)基于單元加PLD核的平臺，將其塑造成規(guī)模可觀的市場。由于它們是各自市場的領導者，IBM和Xilinx無疑對設計流程有很好的理解，因此很有可能它們能解決遇到的設計流程方面的問題。至于主要的成本問題，所有過去的嘗試都是基于0.13mm以上的工藝。IBM和Xilinx研究了成本問題，相信它們能讓90nm和90nm以下的工藝標準成為一種經(jīng)濟的設計方案。系統(tǒng)公司正在探求這類器件的多種用途，包括解決芯片－芯片間通信問題、適應不斷變化的標準以及修正芯片體內(nèi)的功能錯誤，而且最終器件也可以用于可定義的處理應用。

　　我們相信，在2004年將看到IBM/Xilinx最早的設計開始進行，而器件的生產(chǎn)將在2005年逐步上升。我們還有望看到從一個基于單元＋PLD核平臺的典型設計，它有3年的產(chǎn)品壽命期，每年的收入將達到約5~7百萬美元。我們還預計設計數(shù)量將很少，但總的收入到2007年可達上億美元的水平。STMicroeletronics是市場上的“百搭牌”(不確定因素)。它不僅尚未正式發(fā)布一件產(chǎn)品，而且有證據(jù)表明它在印度有一支龐大的、正在開發(fā)FPGA核的設計隊伍，據(jù)信這一核將在成本方面得到優(yōu)化，以嵌入到其ASIC產(chǎn)品中。STMicroelectronics已經(jīng)多次提到，它將開發(fā)一種FPGA產(chǎn)品，該公司毫無疑問為塑造一件成功的產(chǎn)品而撥出了R&D預算。時間將會揭開答案。

　　基于單元的平臺技術

　　基于單元的平臺技術方面的新設計，雖然其預期的數(shù)量會很低，但每項設計的收入將高得驚人。大的系統(tǒng)公司正在設法生成各公司專有的平臺，這些平臺可以用于多方面的大批量市場，每項設計的收入將超過5000萬美元。系統(tǒng)公司們可以獲得大量的、常常嵌入到器件中的功能，然后通過改變整套掩膜的辦法根據(jù)每項應用的情況對芯片的某一部分進行專門定制。雖然這并不象基于陣列的平臺方法那樣節(jié)省掩膜版的費用，但它卻能以最小的芯片面積提供最高性能的產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的基于單元的IC產(chǎn)品相比，它能縮短上市時間，降低總的設計費用，因為它的設計復用比例很高。

　　在提供基于單元的平臺技術的公司中，IBM和Texas Instruments是兩個范例，我們預計以后更多的公司亦將跟進。IBM是基于單元的IC市場上的領導者，已經(jīng)開發(fā)出一種稱為“CCP”的基于單元的平臺。這種產(chǎn)品瞄準了客戶希望能縮短上市時間和降低設計成本的大批量和高性能產(chǎn)品市場。Texas Instruments提供了一種基于單元的、稱為“OMAP”平臺產(chǎn)品，它針對無線通信市場。種類繁多的基于單元的平臺正在進入市場，故這方面的市場形勢很難跟蹤。很大一部分傳統(tǒng)的基于單元式IC的市場將轉(zhuǎn)移到平臺化方法上來，因為它能保證更短的上市時間和更低的成本。

　　FPGA 搶奪平臺化ASIC的市場

　　FPGA供應商正在開發(fā)新型的平臺產(chǎn)品，其目標是攫取一塊新興的平臺化ASIC(介于傳統(tǒng)的FPGA和基于單元的IC之間)所占據(jù)的市場。一種新型的FPGA平臺使用了嵌入式硬件處理器核，如PowerPC或ARM，另一種平臺則采用了軟處理器核，如Nios或MicroBlaze/PicoBlaze。

　　這一族新的FPGA平臺正在獲得大量新設計的支持，有潛力成為產(chǎn)業(yè)界的一支主要力量。我們相信，帶有軟件和硬件處理器核的FPGA，將在這個10年快結束前占到所有FPGA設計的1/3以上。雖然啟動的FPGA設計的數(shù)目不少，但不應忘記的是，每項FPGA設計平均的價值并不與ASIC設計的相等。FPGA設計的價值要低得多，因為FPGA設計的相當大一部分只是用于樣機驗證方面，只會運行幾行代碼。

　　我們預計帶軟處理器核的FPGA將在該市場上占據(jù)最大的份額，占到2010年啟動的FPGA平臺設計總數(shù)的3/4以上。帶軟處理器核的FPGA正將快速起步。Altera已經(jīng)出售了10,000套以上用于其軟處理器核Nios的的設計軟件包，Xilinx已經(jīng)出售了數(shù)千套用于其MicroBlaze/PicoBlaze軟處理器核的軟件包。

　　帶有嵌入式硬處理器核的FPGA也在業(yè)界取得了長足進步。這一市場上的兩個玩家是推出Virtex－II Pro的Xilinx和推出Excalibur的Altera。這兩家公司采取了不同的策略。Xilinx提供PowerPC，作為其嵌入式處理器核，將其放置于在每個Virtex－II Pro器件中，除了一款(最小的型號)。Altera提供的嵌入式 處理器核則是ARM ，只有客戶要求時，才將其包括進去。

　　Xilinx顯然是采取了“推的戰(zhàn)略”——它無論客戶需要與否都提供PowerPC核，堅信用戶將發(fā)掘出該處理器的用處，最終采用它。Xilinx已經(jīng)開始見到這種策略帶來的成功，圍繞它的新設計數(shù)開始飆升。它已經(jīng)賣出約5,200套用于激活其Virtex器件中的PowerPC核或32bit MicroBlaze軟件核的設計軟件包。我們根據(jù)交付的評估板數(shù)量估計，這些軟件包的一半正用于PowerPC，另一半用于MicroBlaze。此外，我們相信，為PowerPC核購買的此類軟件包中的一半左右，今年內(nèi)至少要生成一項設計，使得該公司2003年有約1300項采用PowerPC核的新設計啟動。不少領域，包括軍事/空間、通信(網(wǎng)絡)、數(shù)據(jù)處理(打印機和復印機)及工業(yè)等都開始采用該產(chǎn)品。假設Xilinx在業(yè)界有約100,000個設計位置(這意味著約2.6%的客戶有一套設計軟件可以激活PowerPC核)而1.3%已經(jīng)生成了一項設計。到目前為止，對于設計啟動而言，考慮到該產(chǎn)品出現(xiàn)時間不長，這無疑是相當可觀的成果，但對成功與否的真正衡量標準將是Xilinx能以多快的速度提高器件的收入。

　　Altera也看到其Excalibur產(chǎn)品得到了一定程度的應用，但應用的范圍還是小于Xilinx包括在Virtex－II Pro中的PowerPC，更遠小于Altera獲得極大成功的軟Nios 處理核。 我們相信 Altera的基于Excalibur的新設計啟動數(shù)約為50項左右，而采用其Nios核的新啟動的設計則有上千項。雖然Xilinx在其PowerPC/MicroBlaze Virtex產(chǎn)品方面提供了很多選擇，但Altera正在通過Nios和HardCopy(基于陣列的平臺)的推出予以還擊。

　　產(chǎn)品間的比較

　　每一種類型的平臺化產(chǎn)品都給市場帶來了價值，對于特定的應用來說，最好的選擇將取決于應用的特定的要求。表1對各種不同的平臺產(chǎn)品的功能進行了比較。

　　平臺化ASIC產(chǎn)品的設計啟動數(shù)

　　Gartner Dataquest 采用一個自下而上的模型來估計每年新啟動的采用平臺化ASIC技術的設計的數(shù)量。我們進行了不公開的調(diào)查，了解各家公司在每種類型的平臺上開發(fā)的、新啟動的設計有多少，然后將整個行業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)進行匯總。圖2示出，2003年將有超過100件的平臺化ASIC設計完成，而2004年將有近250件設計出現(xiàn)，我們預計2007年將會有1200件以上的設計出現(xiàn)。我們的前提假設如下：