FPGA應(yīng)用觸角延伸，走向平臺化

    FPGA的觸角愈來愈深入各應(yīng)用領(lǐng)域，新開始的ASIC 設(shè)計項目已下降到每年 2000 個以下，而新開始的FPGA 設(shè)計已經(jīng)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(lǐng)域獲得可觀的市場份額；基于FPGA的DSP功能設(shè)計將迅速增加；結(jié)構(gòu)化ASIC以及平臺化FPGA器件正在改變固有的設(shè)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(chǎn)型低成本FPGA，例如Altera的Cyclone系列和Xilinx的Spartan系列價格越來越低，F(xiàn)PGA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(yīng)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(jīng)理陸紹強表示，去年底，最新的五款Spartan-3E系列已經(jīng)全部量產(chǎn)，從提供樣片到完全量產(chǎn)只花了9個月時間。Spartan系列的累計收入超過了13億美元，現(xiàn)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(chǎn)品市場的交付數(shù)量。
此外，Xilinx新推出了采用90nm工藝的Spartan-3E XA車用FPGA產(chǎn)品線，進(jìn)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(chǎn)品的友好特征，例如，支持通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)允許工程師在視頻設(shè)計中去掉分立的驅(qū)動器。
    Altera在2002年底推出了低成本FPGA的主打產(chǎn)品—Cyclone系列， 隨后又推出了CycloneⅡ系列，容量比第一代產(chǎn)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(nèi)已超過1,000萬個，成為該公司歷史上增長最快的產(chǎn)品，其中至少一半進(jìn)入了消費類電子領(lǐng)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(rèn)為，該市場將在2007年進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)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(yīng)的產(chǎn)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(chǎn)品事務(wù)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(chǎn)品的整體系統(tǒng)成本。對于汽車應(yīng)用來說，基于閃存的FPGA擁有極佳的熱性能指標(biāo)，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(fù)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(jié)構(gòu)化ASIC
    結(jié)構(gòu)化ASIC的設(shè)計正在興起，這種產(chǎn)品可以看作是FPGA與標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC整合的折衷方案，其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)化ASIC的典型代表。用戶可以采用Stratix II FPGA進(jìn)行原型設(shè)計和測試，然后再移植到HardCopy II器件上。
    HardCopy瞄準(zhǔn)的目標(biāo)市場包括顯示、通信和存儲等等，目前基于HardCopy的設(shè)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(chǎn)的需求。
但是，其它FPGA供應(yīng)商并不認(rèn)同結(jié)構(gòu)化ASIC的方案，例如，Xilinx無意進(jìn)入結(jié)構(gòu)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(chǔ)級FPGA，只用少量金屬掩膜就可以實現(xiàn)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(rèn)為他們的設(shè)計已經(jīng)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(dǎo)入量產(chǎn)，不需要從FPGA原型到ASIC或結(jié)構(gòu)化 ASIC的轉(zhuǎn)換過程，沒有轉(zhuǎn)換差異或芯片差異。EasyPath FPGA可支持 20K 到200K門邏輯單元，從設(shè)計轉(zhuǎn)到批量生產(chǎn)只需要兩個月左右的時間。
    Martin Mason認(rèn)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(jié)構(gòu)化ASIC一爭長短。ProASIC3器件可于系統(tǒng)內(nèi)編程，且是唯一能支持軟ARM7內(nèi)核的FPGA。
同樣為了爭奪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)IP內(nèi)核。Lattice正在計劃推出一系列LatticeSC器件，這些器件將包含預(yù)制的、基于MACO模塊的多種高速通信協(xié)議和存儲控制IP內(nèi)核。
可見，結(jié)構(gòu)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(yīng)用規(guī)模。

基于FPGA的DSP方案
    在FPGA中包含DSP的設(shè)計變得越來越普遍，F(xiàn)PGA通過加速DSP算法的關(guān)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(shù)字通信這兩個領(lǐng)域?qū)?shù)字信號處理能力的需求提升很快，諸如新出現(xiàn)的H.264編解碼算法以及WiMAX寬帶無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，大都需要多通道實時處理能力和高復(fù)雜性算法，這些標(biāo)準(zhǔn)或算法的演進(jìn)也給了FPGA用武之地，F(xiàn)PGA可以用作DSP的預(yù)處理器或協(xié)處理器，分擔(dān)DSP的處理任務(wù)。
    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(shè)計來說非常必要。另外StratixⅡ的邏輯單元也能夠?qū)崿F(xiàn)乘法器和DSP功能。CycloneⅡ 器件內(nèi)部的嵌入式乘法器更適合低成本的DSP應(yīng)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(biāo)市場是數(shù)字通信、多媒體、視頻和成像(MVI)以及防御系統(tǒng)領(lǐng)域，它們的總和構(gòu)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(xié)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(gòu)器件在性能、成本以及應(yīng)用方面的優(yōu)化。 
    Xilinx已經(jīng)推出了XtremeDSP MVI解決方案的第一款產(chǎn)品，這個全新的視頻協(xié)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(nèi)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括PCI Express、串行RapidIO、千兆以太網(wǎng)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(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。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(xié)議要求的最佳范圍是1Gbps~5Gbps，在今后三年內(nèi)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(xiàn)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(yīng)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(lǐng)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(jié)構(gòu)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(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置；其次是軟核，包括可配置的MCU(可以是ARM內(nèi)核或者是8051)。在物理結(jié)構(gòu)中，最有特色的是溝通各種外設(shè)的"融合主干"總線，連接了模擬IP、閃存、FPGA架構(gòu)中的外設(shè)、系統(tǒng)應(yīng)用以及MCU。 
    Martin Mason強調(diào)，F(xiàn)usion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(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品也是未來FPGA發(fā)展的趨勢所至。