FPGA加速渗透“非传统”应用领域

编者按：FPGA做为可编程逻辑器件(PLD)的主要产品，在通信、消费电子、汽车电子、工业控制等领域得到迅速应用，客户的认知程度越来越高。同时，FPGA不断向ASIC、ASSP、DSP和嵌入式产品的传统领域渗透，FPGA开发工具及测试厂商实力日益增强，加之全球领先的代工厂台积电、台联电等的鼎力支持，FPGA产业环境渐成。本报特推出可编辑器件白皮书，全面展示该领域领袖厂商Xilinx、Altera、Actel的风采，介绍其最新产品和最新应用，并回顾FPGA产业的发展历史，为未来产业的发展抛砖引玉。白皮书将全面介绍FPGA开发工具及测试厂商的产品，力求呈现全景式的可编程逻辑产业。

自从1985年首款FPGA器件诞生以来，FPGA产业一方面修炼内功——从技术上来说，工艺从2μm发展到65nm，晶体管数量从8.5万个增长到10亿个以上；另一方面向外扩张——应用领域从最初的通信业不断向消费电子、汽车、工业控制等渗透，同时在不断“蚕食”DSP、ASIC、ASSP和嵌入式处理器的市场。如今，Xilinx、Altera和Actel等FPGA产业的领导厂商也不再是20多年前的孤军奋战，在其周围，FPGA开发和应用的生态系统已然初步形成，大大促进了FPGA产业的发展。

“非传统”应用领域显身手

通信业一直是FPGA产业最重要的应用领域，2006年，通信业应用收入占Altera公司总收入的42%，公司预计未来在通信市场仍然将占据总销售的最大百分比。占据FPGA产业超过一半市场份额的Xilinx公司同样如此，在2000年左右，通信业占据公司总销售收入的70%以上。既然如此，如今的FPGA厂商为什么要进入消费电子、汽车和工业控制等新兴领域艰难开拓新市场呢？

一方面，正如Xilinx(赛灵思)公司亚太区营销董事郑馨南在接受《中国电子报》记者采访时所言：“2001年的IT产业泡沫破裂是一个重大的里程碑，它是我们认识到不能完全只依靠通信业，公司开始开发多元化产品并进入新的领域。FPGA的增长已经出现缓和的迹象，因此必须要进入新的市场。”

另一方面，消费电子等新兴产业对产品及时上市、降低生产成本、更高的性能与更多的功能，在所在市场保持合理的功耗等要求恰恰是FPGA产品的强项。因此，基于上述原因，FPGA在新领域的应用就是水到渠成的事情了。Altera2002年首次推出了从根本上就针对低成本进行设计的FPGA即Cyclone系列，改变了可编程逻辑器件的面貌。随着65nm Cyclone III系列的推出，Altera进一步扩展了低成本FPGA的应用领域。

如今消费电子领域的系统设计人员越来越重视功率问题。低功耗FPGA市场成为一个展露潜力的庞大市场。根据iSuppli市场预测，在约200亿美元的ASIC市场中，有高达30亿美元的份额将转向低功耗FPGA解决方案，如Actel以Flash为基础的ProASIC3和IGLOO FPGA，IGLOO FPGA静态功耗仅为5μW，比同类竞争产品低4倍。成本低于10美元，常作为ASIC替代产品。据Gartner Dataquest预测，全球面向消费电子产业的FPGA/PLD市场规模将从2007年的4.05亿美元增长到2011年的6.47亿美元。

Actel公司总裁兼首席执行官John East指出，过去，汽车工程师通常依赖于微控制器(MCU)和定制ASIC产品来实现和控制汽车上的电子系统以及扩展新一代汽车的功能。与MCU相比，FPGA可让汽车设计人员实现更好的性能，更多的功能(如I/O、可编程逻辑等)。类似地，与ASIC产品相比，FPGA的成本更低、灵活性更高。在三种主流FPGA技术(反熔丝、Flash和SRAM)之中，只有反熔丝和Flash技术能抵御中子诱发的软错误和固件错误，最适合那些重视可靠性的应用。Actel的反熔丝、Flash的FPGA器件是提供面向极端环境条件的高性能和高可靠性产品。

基于这些因素和其他方面的考虑，Gartner Dataquest估计全球面向汽车产业的FPGA/PLD市场规模将从2007年的9300万美元增长到2011年的3.98亿美元。

事实上，2006年，工业市场是Altera公司业务增长最快的领域，增长率达到20%。而Xilinx公司通信业务所占的比重也呈下降趋势。

DSP和嵌入式应用成热点

赛灵思公司副总裁兼处理解决方案部总经理Omid Tahernia在接受《中国电子报》记者采访时坦言：“在2004年加入赛灵思公司之前，我也认为FPGA非常适用于原型设计，但对于批量DSP系统应用来说，成本太高，功耗太大。然而，没过多久，我源于DSP视角的看法就被大大地并且不可逆转地改变了。”

实际上，由于在性能和灵活性方面的完美组合，FPGA在DSP领域的应用越来越普遍，诸如通信、多媒体和国防行业等高增长的市场都非常需要高性能的DSP技术。这些市场的特点在于始终处于连续的变化之中，不断变化的标准、市场需求、客户需求以及竞争态势。要跟上市场变化，企业就需要一种强大且灵活的处理器——FPGA就是这种特别适合的技术。

那么，FPGA这一外来者与传统意义上TI(德州仪器)等公司的DSP产品是否将展开你死我活的争斗呢？DSP市场研究机构Forward Concepts的分析师Will Strauss预测：未来5年内，可重配置DSP(99%是FPGA)市场增长速度将超过DSP整体市场中的任何其他部分。Strauss还指出：FPGA经常被用来分流承担大量计算任务，帮助提高传统DSP芯片的能力。换句话来说，FPGA并非替代DSP。相反的是，功能和性能都不断增强的FPGA为DSP技术开拓了新市场。

对此，TI首席科学家方进在接受《中国电子报》记者采访时表示认同。他说：“目前两者的应用领域并不完全相同，我们和Xilinx保持了良好的合作关系，至少在短期内不会产生竞争。”郑馨南则表示，在DSP领域公司和TI合作得很好，Xilinx的DSP是并行处理，功能很强，具有很高的性价比，高性能和低功耗应用最为合适。“TI的多核DSP也将不断提升性能，而我们也会向性能要求较低的领域发展，未来可能将呈现应用的交叉。”郑馨南预测。

Xilinx公司首席执行官Wim Roelandts表示公司很早就开始重视DSP和嵌入式应用，并开发出不同的工具来应对DSP和嵌入式开发设计人员的需求。今年推出的Virtex-5 SXT平台主要面向要求超高DSP带宽和更低系统成本的下一代无线、国防和多媒体视频应用。Spartan-3A DSP平台以低于30美元的批量生产起价，提供了超过30GMAC/s的性能和高达2200 Mbps的存储器带宽。

英雄所见略同。Altera公司首席执行官John Daane在接受《中国电子报》记者采访时表示，Altera的市场领域不仅仅是FPGA，还扩展到了ASIC、嵌入式和DSP市场。Stratix III E系列型号提供丰富的存储器和乘法器资源，适合数据处理应用。

FPGA生态系统成形

FPGA产业对半导体产业最大的贡献也许就是创建了如今被全球半导体设计公司广泛采用的无生产线(Fabless)模式。在创立之初，Xilinx公司创始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司确信利用该公司的制造设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的。无生产线模式诞生了！

如今，Xilinx公司采用UMC和东芝的双代工策略，Altera则使用全球最大的代工企业TSMC为其生产芯片。John Daane说：“合作是我们彼此获得市场成功的基石。我们在最新工艺节点的产品发布上有很好的记录，例如顺利、无误地推出90nm和65nm产品。在45nm上，我们将一如既往保持这种优秀的记录。”

除了代工厂之外，FPGA开发工具和测试厂商也纷纷推出了相应的产品，促进了FPGA生态系统的形成。Synplicity公司长期专注于FPGA设计，在电子设计自动化这个领域里使用最新的FPGA技术。该公司中国区销售经理杨皓津在接受《中国电子报》记者采访时认为，这些都可以使FPGA的设计更加成功，世界顶尖的PLD厂商与Synplicity公司的合作非常紧密。所以，只要FPGA面世，Synplicity就可以支持。

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泰克公司拥有十分完整的测试测量方案，来应对FPGA设计和测试的挑战，加快产品开发和上市时间。Tektronix的FPGA测试测量方案可分三类：基于逻辑分析仪的实时板级在线调试方案、基于高性能示波器的实时信号完整性测试方案和基于混合示波器的混合信号环境测试调试方案。