FPGA將會在汽車市場中獲得廣泛應(yīng)用

市場分析家預(yù)測2002～2008年整個可編程邏輯市場的規(guī)模將翻三番。盡管可編程邏輯市場的成長一直都是由通信和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)對高價值和大容量元件的需求所推動，但下一輪擴張動力將來源自不同的領(lǐng)域，即以價值為基礎(chǔ)(value-based)的汽車和消費電子市場。

根據(jù)市場研究公司Gartner Dataquest預(yù)計，在2002～2008年，用于消費電子產(chǎn)品的FPGA將增長10倍，總體銷售規(guī)模超過10億美元。這個增長動力來源于多種產(chǎn)品，包括新的數(shù)字化高清廣播設(shè)備、游戲和多媒體娛樂系統(tǒng)、LCD和等離子電視，以及廣泛普及的家用DVR和DVD-W等。與此同時，在汽車市場方面，F(xiàn)PGA將越來越多地用于車載娛樂系統(tǒng)、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、通信和安全系統(tǒng)。

那么，在可編程邏輯應(yīng)用模式改變的背后隱含的意義是什么呢？

傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA一直被用于兩種場合：一是小批量應(yīng)用，即產(chǎn)量不足以達(dá)到全面轉(zhuǎn)向ASIC所需的規(guī)模效益；二是用于構(gòu)建設(shè)計原型，以便日后轉(zhuǎn)向ASIC進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。然而，近年來FPGA已經(jīng)越來越多地用于各種產(chǎn)品當(dāng)中，雖然增長的速度不是很快，但的確是在增長。部分原因是出于成本考慮：FPGA制造商發(fā)揮了新半導(dǎo)體工藝技術(shù)和制造效率的優(yōu)勢來降低單位成本；與此同時，不斷增加的非經(jīng)常性工程開支(NRE)卻使到ASIC的整體成本不斷提高。在50萬件產(chǎn)量的規(guī)模下，ASIC的掩膜價格(目前一般以百萬美元計算)已使到其最終產(chǎn)品的單位成本與FPGA產(chǎn)品相近，全球范圍內(nèi)的ASIC設(shè)計也在逐漸減少，如圖1和圖2所示。

圖1 ASIC的掩模成本隨工藝水平的提高而急劇升高

圖2 全球范圍內(nèi)的ASIC設(shè)計逐漸減少

此外，傳統(tǒng)的基于SRAM的FPGA的一些缺點經(jīng)已得到解決。器件的門密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的問題，也無須增加外部元件，而這些正是以前的可編程邏輯器件的弱點所在。

設(shè)計人員已意識到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的優(yōu)勢。例如，使用FPGA的設(shè)計人員可以在設(shè)計完成后進(jìn)行更改。事實上，已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品也可以進(jìn)行升級。在產(chǎn)品開發(fā)周期壓力越來越大的市場環(huán)境下，廠家都不愿意冒風(fēng)險，因此FPGA是很理想的解決方案。

正是在這樣的背景之下，作為ASIC替代品、以價值為基礎(chǔ)的FPGA在市場上出現(xiàn)了，針對工程師的需求提供可滿足今天不斷縮短的開發(fā)周期和不斷降低的成本的技術(shù)方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列產(chǎn)品就可提供系統(tǒng)內(nèi)可編程功能、高性能可編程邏輯，以及超過一百萬的系統(tǒng)門密度。或許更重要的是，這個FPGA系列的單位成本足以與ASIC器件(計入NRE費用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低價格只有1.5美元。

從表面上看，更快的產(chǎn)品開發(fā)周期和可重配置功能無疑會增加以FPGA的優(yōu)勢。然而，正如設(shè)計人員在計算ASIC產(chǎn)品的有效單位成本時必須考慮NRE一樣，在轉(zhuǎn)向采用FPGA時，設(shè)計人員也需要權(quán)衡對整體系統(tǒng)成本的影響。舉例說，以SRAM技術(shù)為基礎(chǔ)的FPGA往往需要額外的支持電路，而以價值為基礎(chǔ)的FPGA亦然。每個基于SRAM的FPGA都需要啟動PROM或微控制器來加載配置數(shù)據(jù)。為保障系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計人員通常還要添加SRAM的電源欠壓檢測器件。而且，許多采用基于SRAM的FPGA的設(shè)計都需要上電即行的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來管理系統(tǒng)的啟動，尤其是在使用微控制器加載SRAM FPGA的情況下。

當(dāng)采用最新的90nm半導(dǎo)體工藝制備的SRAM器件時可能還得付出別的代價，即需要滿足嚴(yán)格的上電要求。有些以非揮發(fā)性技術(shù)為基礎(chǔ)的器件也需要細(xì)致的電源上電時序；而且，如果SRAM FPGA的上電配置延遲會使器件內(nèi)部的PLL/DLL電路不能適應(yīng)這種重要的系統(tǒng)級任務(wù)，可能還需要外部時鐘分配器件來處理系統(tǒng)時鐘管理。總之，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持電路成本。因此，這個額外成本必須計入解決方案的真正整體成本中。SRAM系統(tǒng)的額外成本很容易便超過FPGA器件單位成本的一倍，而且還未考慮到軟成本或可靠性、庫存管理和設(shè)計復(fù)雜性等問題。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是單芯片的解決方案，具備固有的上電即行功能，不需要啟動PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持與AISC類似的板卡設(shè)計，能以單電源(1.5V)工作，且能按預(yù)計及受控的方式上電和關(guān)電。由于功耗低，因此對電源的要求也較低。這點對于消費電子和汽車應(yīng)用尤其重要，而且對提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)熱管理成本也有很大作用。

除了具備價格、設(shè)計和功耗方面的優(yōu)勢外，F(xiàn)PGA在安全性和可靠性等方面也能與ASIC相媲美?；贔lash的設(shè)計一直被公認(rèn)能夠更好地抵御由中子轟擊所致的固件和軟件錯誤，這是高海拔應(yīng)用環(huán)境常見的現(xiàn)象，但漸漸地也成為地面應(yīng)用的一個普遍問題。

從系統(tǒng)安全的角度看，基于Flash的設(shè)計也可以提供更佳的保護(hù)，以免關(guān)鍵的IP受到盜竊。幾乎無法對設(shè)計進(jìn)行反向工程，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之間的數(shù)據(jù)流被盜竊者攔截的可能性。

ProASIC3器件還配備1kb片上非揮發(fā)性Flash ROM，以及內(nèi)置128位AES加密內(nèi)核，以便FPGA內(nèi)核陣列結(jié)構(gòu)和FROM本身進(jìn)行獨立和安全的系統(tǒng)內(nèi)編程。這樣，設(shè)計人員就可實現(xiàn)多項安全功能。例如，在安全的可編程環(huán)境中預(yù)先加載AES主密鑰到器件中，于是，用戶可將未完成配置的空白部分送到?jīng)]有安全防護(hù)的編程或制造中心中，再通過AES加密位流進(jìn)行最終的個性化配置。

設(shè)計人員可利用這個功能執(zhí)行產(chǎn)品的后期更改，這也是FPGA解決方案另一個獨特之處。在類似的情況下，設(shè)計人員還可通過公共網(wǎng)絡(luò)如Internet或衛(wèi)星通信來進(jìn)行安全的遠(yuǎn)程現(xiàn)場升級，在此過程中只需傳送帶AES加密數(shù)據(jù)的配置文件。這種方法尤其有助于由服務(wù)供應(yīng)商根據(jù)訂用服務(wù)模式提供的升級功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比見圖3。

圖3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比

由于采用90nm或65nm工藝的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA將越來越多地取代ASIC器件，不僅在產(chǎn)量需求低于50萬的場合，而且還包括需要FPGA的獨特優(yōu)勢的消費電子和汽車等市場。隨著業(yè)界不斷在縮短開發(fā)周期、降低風(fēng)險、設(shè)計后期更改及產(chǎn)品現(xiàn)場可配置方面進(jìn)行提升，基于Flash的FPGA很有可能成為各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的首選解決方案。市場分析家預(yù)測2002～2008年整個可編程邏輯市場的規(guī)模將翻三番。盡管可編程邏輯市場的成長一直都是由通信和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)對高價值和大容量元件的需求所推動，但下一輪擴張動力將來源自不同的領(lǐng)域，即以價值為基礎(chǔ)(value-based)的汽車和消費電子市場。

根據(jù)市場研究公司Gartner Dataquest預(yù)計，在2002～2008年，用于消費電子產(chǎn)品的FPGA將增長10倍，總體銷售規(guī)模超過10億美元。這個增長動力來源于多種產(chǎn)品，包括新的數(shù)字化高清廣播設(shè)備、游戲和多媒體娛樂系統(tǒng)、LCD和等離子電視，以及廣泛普及的家用DVR和DVD-W等。與此同時，在汽車市場方面，F(xiàn)PGA將越來越多地用于車載娛樂系統(tǒng)、車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、通信和安全系統(tǒng)。

那么，在可編程邏輯應(yīng)用模式改變的背后隱含的意義是什么呢？

傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA一直被用于兩種場合：一是小批量應(yīng)用，即產(chǎn)量不足以達(dá)到全面轉(zhuǎn)向ASIC所需的規(guī)模效益；二是用于構(gòu)建設(shè)計原型，以便日后轉(zhuǎn)向ASIC進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。然而，近年來FPGA已經(jīng)越來越多地用于各種產(chǎn)品當(dāng)中，雖然增長的速度不是很快，但的確是在增長。部分原因是出于成本考慮：FPGA制造商發(fā)揮了新半導(dǎo)體工藝技術(shù)和制造效率的優(yōu)勢來降低單位成本；與此同時，不斷增加的非經(jīng)常性工程開支(NRE)卻使到ASIC的整體成本不斷提高。在50萬件產(chǎn)量的規(guī)模下，ASIC的掩膜價格(目前一般以百萬美元計算)已使到其最終產(chǎn)品的單位成本與FPGA產(chǎn)品相近，全球范圍內(nèi)的ASIC設(shè)計也在逐漸減少，如圖1和圖2所示。


圖1 ASIC的掩模成本隨工藝水平的提高而急劇升高


圖2 全球范圍內(nèi)的ASIC設(shè)計逐漸減少

此外，傳統(tǒng)的基于SRAM的FPGA的一些缺點經(jīng)已得到解決。器件的門密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的問題，也無須增加外部元件，而這些正是以前的可編程邏輯器件的弱點所在。

設(shè)計人員已意識到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的優(yōu)勢。例如，使用FPGA的設(shè)計人員可以在設(shè)計完成后進(jìn)行更改。事實上，已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品也可以進(jìn)行升級。在產(chǎn)品開發(fā)周期壓力越來越大的市場環(huán)境下，廠家都不愿意冒風(fēng)險，因此FPGA是很理想的解決方案。

正是在這樣的背景之下，作為ASIC替代品、以價值為基礎(chǔ)的FPGA在市場上出現(xiàn)了，針對工程師的需求提供可滿足今天不斷縮短的開發(fā)周期和不斷降低的成本的技術(shù)方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列產(chǎn)品就可提供系統(tǒng)內(nèi)可編程功能、高性能可編程邏輯，以及超過一百萬的系統(tǒng)門密度。或許更重要的是，這個FPGA系列的單位成本足以與ASIC器件(計入NRE費用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低價格只有1.5美元。

從表面上看，更快的產(chǎn)品開發(fā)周期和可重配置功能無疑會增加以FPGA的優(yōu)勢。然而，正如設(shè)計人員在計算ASIC產(chǎn)品的有效單位成本時必須考慮NRE一樣，在轉(zhuǎn)向采用FPGA時，設(shè)計人員也需要權(quán)衡對整體系統(tǒng)成本的影響。舉例說，以SRAM技術(shù)為基礎(chǔ)的FPGA往往需要額外的支持電路，而以價值為基礎(chǔ)的FPGA亦然。每個基于SRAM的FPGA都需要啟動PROM或微控制器來加載配置數(shù)據(jù)。為保障系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計人員通常還要添加SRAM的電源欠壓檢測器件。而且，許多采用基于SRAM的FPGA的設(shè)計都需要上電即行的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)來管理系統(tǒng)的啟動，尤其是在使用微控制器加載SRAM FPGA的情況下。

當(dāng)采用最新的90nm半導(dǎo)體工藝制備的SRAM器件時可能還得付出別的代價，即需要滿足嚴(yán)格的上電要求。有些以非揮發(fā)性技術(shù)為基礎(chǔ)的器件也需要細(xì)致的電源上電時序；而且，如果SRAM FPGA的上電配置延遲會使器件內(nèi)部的PLL/DLL電路不能適應(yīng)這種重要的系統(tǒng)級任務(wù)，可能還需要外部時鐘分配器件來處理系統(tǒng)時鐘管理?？傊?，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持電路成本。因此，這個額外成本必須計入解決方案的真正整體成本中。SRAM系統(tǒng)的額外成本很容易便超過FPGA器件單位成本的一倍，而且還未考慮到軟成本或可靠性、庫存管理和設(shè)計復(fù)雜性等問題。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是單芯片的解決方案，具備固有的上電即行功能，不需要啟動PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持與AISC類似的板卡設(shè)計，能以單電源(1.5V)工作，且能按預(yù)計及受控的方式上電和關(guān)電。由于功耗低，因此對電源的要求也較低。這點對于消費電子和汽車應(yīng)用尤其重要，而且對提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)熱管理成本也有很大作用。

除了具備價格、設(shè)計和功耗方面的優(yōu)勢外，F(xiàn)PGA在安全性和可靠性等方面也能與ASIC相媲美?；贔lash的設(shè)計一直被公認(rèn)能夠更好地抵御由中子轟擊所致的固件和軟件錯誤，這是高海拔應(yīng)用環(huán)境常見的現(xiàn)象，但漸漸地也成為地面應(yīng)用的一個普遍問題。

從系統(tǒng)安全的角度看，基于Flash的設(shè)計也可以提供更佳的保護(hù)，以免關(guān)鍵的IP受到盜竊。幾乎無法對設(shè)計進(jìn)行反向工程，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之間的數(shù)據(jù)流被盜竊者攔截的可能性。

ProASIC3器件還配備1kb片上非揮發(fā)性Flash ROM，以及內(nèi)置128位AES加密內(nèi)核，以便FPGA內(nèi)核陣列結(jié)構(gòu)和FROM本身進(jìn)行獨立和安全的系統(tǒng)內(nèi)編程。這樣，設(shè)計人員就可實現(xiàn)多項安全功能。例如，在安全的可編程環(huán)境中預(yù)先加載AES主密鑰到器件中，于是，用戶可將未完成配置的空白部分送到?jīng)]有安全防護(hù)的編程或制造中心中，再通過AES加密位流進(jìn)行最終的個性化配置。

設(shè)計人員可利用這個功能執(zhí)行產(chǎn)品的后期更改，這也是FPGA解決方案另一個獨特之處。在類似的情況下，設(shè)計人員還可通過公共網(wǎng)絡(luò)如Internet或衛(wèi)星通信來進(jìn)行安全的遠(yuǎn)程現(xiàn)場升級，在此過程中只需傳送帶AES加密數(shù)據(jù)的配置文件。這種方法尤其有助于由服務(wù)供應(yīng)商根據(jù)訂用服務(wù)模式提供的升級功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比見圖3。


圖3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性對比

由于采用90nm或65nm工藝的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA將越來越多地取代ASIC器件，不僅在產(chǎn)量需求低于50萬的場合，而且還包括需要FPGA的獨特優(yōu)勢的消費電子和汽車等市場。隨著業(yè)界不斷在縮短開發(fā)周期、降低風(fēng)險、設(shè)計后期更改及產(chǎn)品現(xiàn)場可配置方面進(jìn)行提升，基于Flash的FPGA很有可能成為各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的首選解決方案。