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更廣泛的FPGA應(yīng)用模式

最近由電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（EE Times）雜志的 Piper Jaffray以及Kirtland 空軍 基 地 FPGA任務(wù)保證中心（FPGA Mission Assurance Center）進(jìn)行的最新研究證實(shí)了業(yè)界人士的直覺判斷： 門陣列、結(jié)構(gòu)化ASIC和基于單元的ASIC產(chǎn)品應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入停滯期，而在所有類別中FPGA替代這些產(chǎn)品的情況都很普遍。 門陣列產(chǎn)品的趨勢特別明顯，65%的受調(diào)查者認(rèn)為門陣列的使用將保持穩(wěn)定，而12.8%的人則認(rèn)為會大大減少。與此相比，72%以上的人認(rèn)為FPGA的使用將大幅增加，僅有27%的人認(rèn)為將會保持穩(wěn)定。 沒有人認(rèn)為FPGA的使用會減少。

過去幾年時(shí)間里，賽靈思已經(jīng)從全球市場發(fā)展過程中感受到了這一趨勢，公司在工業(yè)、消費(fèi)以及汽車等市場的營收均有大幅增長。 同時(shí)，F(xiàn)PGA在中國和歐洲被更廣泛地應(yīng)用于下一代無線通信系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員，無論是從事消費(fèi)產(chǎn)品還是工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)，都報(bào)告說正在考慮將FPGA用于多種應(yīng)用之中。這部分是由于開發(fā)和生產(chǎn)專用IC的成本不斷飆升。 現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已經(jīng)從最初主要應(yīng)用于原型設(shè)計(jì)逐漸延伸到最終產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。 對于專用IC開發(fā)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(yīng)用于新的基帶無線和圖像處理系統(tǒng)，使用FPGA的工程師 群 體 也在擴(kuò)大。 20世紀(jì)90年代，F(xiàn)PGA的用戶 群 體 幾乎主要由硬件設(shè)計(jì)師構(gòu)成。 今天，豐富的IP內(nèi)核和用戶友好的EDA工具使得系統(tǒng)集 成 人 員、DSP開發(fā)人員，甚至嵌入式軟件工程師采用FPGA進(jìn)行創(chuàng)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(shè)計(jì)。調(diào)查過程中74%的人在其從事的項(xiàng)目中采用了嵌入式處理器。硬內(nèi)核處理器，特別是Power 架構(gòu)的嵌入式處理器，處于領(lǐng)先地位。同時(shí)賽靈思Microblaze 處理器這樣的可綜合軟內(nèi)核處理器也在快速發(fā)展。

沒有哪個(gè)領(lǐng)域能夠比航空航天和國防領(lǐng)域使用可編程邏輯更為廣泛了。 軍用合同商中轉(zhuǎn)向FPGA解決方案的速度如此之快，數(shù)量如此之多，以致于空軍研究實(shí)驗(yàn)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(wù)保證中心（FPGA Mission Assurance Center ）。 推動(dòng)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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的不斷演化以及安全、空間通信和航空電子學(xué)對可重新編程能力的需要。 盡管Piper-Jaffray調(diào)查中回答明年將會雇傭更多FPGA設(shè)計(jì)人員的比例達(dá)到42%，但航空航天和國防行業(yè)的這一數(shù)字卻達(dá)到了48%。

可編程技術(shù)勢在必行

在2001年的經(jīng)濟(jì)低迷時(shí)期，產(chǎn)品開發(fā)的趨勢就很普遍。如今的2008-2009年，面對經(jīng)濟(jì)和商業(yè)形勢的雙重危機(jī)，這種趨勢更加變得勢不可擋。 2009年每家企業(yè)最熟悉的口頭禪就是 “少花錢多辦事”，這意味著員工數(shù)量減少、預(yù)算緊張、市場窗口縮小以及產(chǎn)品生命周期更短。 同時(shí)，企業(yè)首席財(cái)務(wù)官（CFO）更強(qiáng)調(diào)降低風(fēng)險(xiǎn)。這也意味著企業(yè)在財(cái)務(wù)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(chǎn)品開發(fā)人員還必須要不斷增加亮點(diǎn)，例如新產(chǎn)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(yōu)勢。 面對更強(qiáng)烈的產(chǎn)品差異化需求和更為緊張的預(yù)算，設(shè)計(jì)人員看起來真有點(diǎn)無所適從。

現(xiàn)在，轉(zhuǎn)向可編程解決方案的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。 在FPGA行業(yè)的早期，可編程邏輯主要用于系統(tǒng)外圍，做為I/O系統(tǒng)或第二層控制子系統(tǒng)的膠合連接邏輯。 今天，F(xiàn)PGA已經(jīng)應(yīng)用于系統(tǒng)的核心。 當(dāng)FPGA被用于中心控制或數(shù)字信號處理（DSP）任務(wù)時(shí)，所有的系統(tǒng)差異都可在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。 即使是FPGA僅僅作為標(biāo)準(zhǔn)CPU或DSP的配角時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的許多亮點(diǎn)可能也是通過FPGA實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镕PGA能夠大幅提升性能和功能。 無論是在哪種情況下，F(xiàn)PGA的角色都在改變系統(tǒng)中IC設(shè)計(jì)的方式。

在當(dāng)前企業(yè)普遍面臨財(cái)務(wù)困難的時(shí)候，轉(zhuǎn)向FPGA在財(cái)政上的可行性更大。 現(xiàn)在的工程預(yù)算很難平衡傳統(tǒng)專用IC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方式更低的設(shè)計(jì)成本。

事實(shí)上，當(dāng)賽靈思CEO Moshe Gavrielov說到“可編程技術(shù)勢在必行”（the programmable imperative）的時(shí)候，他實(shí)際的含義是指當(dāng)前的形勢幾乎強(qiáng)制要求從傳統(tǒng)ASIC轉(zhuǎn)移到可編程解決方案。 對于傳統(tǒng)門陣列和基于單元的ASIC來說，隨著每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)，其NRE成本都飛速增長。 例如，從90nm 發(fā)展到 65nm 工藝，傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)的前期成本大幅提高。 行業(yè)研究企業(yè)iSuppli 報(bào)告說傳統(tǒng)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(dāng)前的金融形勢下，甚至ASSP的開發(fā)商也面臨巨大的壓力，特別是當(dāng)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(dāng)然，傳統(tǒng)ASIC并不會明天就消失。 ASIC面向的是產(chǎn)量極高的穩(wěn)定產(chǎn)品。 然而，單靠最終產(chǎn)品數(shù)量的增長，即使是批量達(dá)到數(shù)萬甚至數(shù)百萬，也無法負(fù)擔(dān)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(yīng)商來說，為了跟上工藝技術(shù)的發(fā)展需要投入更多研發(fā)資源，因此服務(wù)于專用架構(gòu)的EDA工具價(jià)格也上升很快。 另一方面，現(xiàn)在的FPGA使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)企業(yè)或部門能夠不必直接負(fù)擔(dān)IC開發(fā)的成本就可以充分利用先進(jìn)的工藝技術(shù)所帶來的優(yōu)點(diǎn)。