FPGA最新發(fā)展趨勢(shì)觀察

       面對(duì)掩膜制造成本呈倍數(shù)攀升，過去許多中、小用量的芯片無法用先進(jìn)的工藝來生產(chǎn)，對(duì)此不是持續(xù)使用舊工藝來生產(chǎn)，就是必須改用FPGA芯片來生產(chǎn)…… 

       就在半導(dǎo)體大廠持續(xù)高呼摩爾定律(Moore’s Law)依然有效、適用時(shí)，其實(shí)背后有著不為人知的事實(shí)！理論上每18至24個(gè)月能在相同的單位面積內(nèi)多擠入一倍的晶體管數(shù)，這意味著電路成本每18至24個(gè)月就可以減半，但這只是指裸晶(Die)的成本，并不表示整個(gè)芯片的成本都減半，然而也要最終成品的良率必須維持才能算數(shù)。

       不能隨摩爾定律而縮減的成本，包括晶圓制造更前端的掩膜(Mask)成本，以及晶圓制造更后端的封裝(也稱為：構(gòu)裝、包裝)成本。

       用低廉勞力來降低封裝成本

       先說明封裝成本，每生產(chǎn)一顆芯片都需要一個(gè)芯片封裝，理論上摩爾定律讓芯片面積縮小，連帶的封裝上的面積用料也可以減少，所以封裝成本也可以減少，但實(shí)際上不然，事實(shí)是：芯片一方面縮小面積，另一方面也讓電路更加復(fù)雜，所需要的接腳數(shù)目增加，同時(shí)電路更縮密后其用電量相同，發(fā)熱量也相同，但卻只能用更小的面積來散熱。

       因此，封裝無法隨裸晶面積一同縮小，反而裸晶縮小后產(chǎn)生更多難題需面對(duì)！包括置入更多數(shù)目的接腳、更佳的散熱性等，所以封裝需要投入更多研發(fā)資源，另外封裝用料成本也必然因此增加，從過去簡(jiǎn)單的樹脂材質(zhì)，到之后的陶瓷材質(zhì)，以及更之后的BGA封裝、覆晶封裝、IC載板等，封裝的技術(shù)與成本都在逐步提高。

       不過，歐美半導(dǎo)體大廠既然在晶圓制造上因摩爾定律而獲得了成本精省，也必須正視封裝成本居高不下的新問題，為了保有產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)，歐美業(yè)者積極將封測(cè)廠移至海外，特別是移至勞力成本低廉的地方，過去是移至南韓、臺(tái)灣、泰國(guó)、馬來西亞，但近年來則再度遷移，遷至中國(guó)內(nèi)地、越南、東歐，透過低廉勞力讓芯片封裝成本降低。

       掩膜成本成指數(shù)性上升

       封裝成本可以倚賴低價(jià)勞動(dòng)力來降低，那么更前端的掩膜方面呢？很不幸的，掩膜無法如封裝一樣用低價(jià)勞力來壓低成本，相反的，隨著晶體管的更縮密化，工藝的更先進(jìn)化，掩膜的開設(shè)成本卻只會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性攀升，130nm(納米，中國(guó)內(nèi)地方面稱為：納米)工藝縮密成90nm后，晶圓上的電路成本可以縮減一半，但掩膜成本卻是要增加數(shù)倍。

       所幸掩膜的開設(shè)次數(shù)并不多，掩膜建立一次后，可隨著日后芯片的大量量產(chǎn)而分?jǐn)傋畛踅ㄖ醚谀さ某杀?，?dāng)產(chǎn)量高到一定的規(guī)模數(shù)量后，掩膜成本就能均攤到機(jī)近于零，所以即便掩膜因工藝提升而增加成本，也不用過于在意。

       但是，運(yùn)用量產(chǎn)來均攤掩膜成本的作法已經(jīng)愈來愈不可行，掩膜成本一次又一次地倍增，光是一組130nm的掩膜就已經(jīng)破百萬美元，但芯片的需求量、產(chǎn)量卻無法呈現(xiàn)倍增需求，以致近年來開設(shè)新掩膜的件數(shù)愈來愈少，從上萬件退到數(shù)千件。

       或許如上的描述尚不足以讓人感受到嚴(yán)酷性，但從臺(tái)灣集成電路制造公司(TSMC)蔡力行在公眾場(chǎng)合曾說過的一段話就更能深刻體會(huì)：一家無晶圓廠業(yè)者(Fabless)新設(shè)計(jì)的芯片，在第一次試制品(Prototype)完成后，若其特性表現(xiàn)不佳后將必須修改設(shè)計(jì)，修改后進(jìn)行第二次的試制，如果第二次試制的表現(xiàn)結(jié)果依然不理想，其實(shí)就不用進(jìn)行第三次試制了，因?yàn)樵摌I(yè)者的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已經(jīng)避開其失敗經(jīng)驗(yàn)，一次就推出成功的芯片，即便業(yè)者愿意進(jìn)行第三次嘗試，前兩次的試制成本已經(jīng)過高，這些成本都必須轉(zhuǎn)嫁到第三次的芯片上，未來就算能量產(chǎn)，其芯片價(jià)格也難與其它業(yè)者競(jìng)爭(zhēng)，與其如此不如不做。

       很明顯的，前兩次試制都失敗的話，掩膜成本就足以讓無晶圓廠芯片業(yè)者吃不消，最后必然要退出該芯片產(chǎn)品市場(chǎng)，此后除了加碼原有的其它產(chǎn)品芯片外，就只能重新嘗試、摸索其它類型的芯片市場(chǎng)。由此可見，掩膜成本已成為極可怕的壓力，完全無法用封測(cè)廠外移的低價(jià)勞力方式抒解。

       掩膜難以因應(yīng)Time-To-Market

       掩膜不僅成本節(jié)節(jié)攀升，更麻煩的是掩膜的開設(shè)時(shí)間無法縮短，每次都需要數(shù)十天的時(shí)間，然而芯片市場(chǎng)已從過去的信息、通訊市場(chǎng)轉(zhuǎn)移至消費(fèi)性電子市場(chǎng)，過去資通訊芯片的特點(diǎn)是少樣多量，相同一致的芯片需求量極高，開設(shè)一次掩膜后可使用很久，并量產(chǎn)出極多芯片，相對(duì)的消費(fèi)性電子的特性是少量多樣(變化多)、變化快速，掩膜使用一段時(shí)間后就必須因應(yīng)市場(chǎng)的改變而修改電路，使整組掩膜中有數(shù)張掩膜無法適用，必須重新開設(shè)。

       所以，即便掩膜成本沒有節(jié)節(jié)攀升，其變更速度也一樣不適合今日的芯片市場(chǎng)，因此許多無晶圓廠業(yè)者已逐漸舍棄使用ASIC(用掩膜方式投產(chǎn)的芯片)，而用FPGA來推出其設(shè)計(jì)的芯片。

       FPGA從麻雀到鳳凰

       FPGA并非是近年來才有的，F(xiàn)PGA一詞于1984年就已經(jīng)出現(xiàn)，至今已經(jīng)超過20年以上的時(shí)間，不過過去十多年時(shí)間內(nèi)FPGA都未受到太多的重視，原因是FPGA的功耗用電、電路密度、頻率效能、電路成本等都不如ASIC，在這十多年時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)PGA多半只用在一些特殊領(lǐng)域，例如芯片業(yè)者針對(duì)新產(chǎn)品測(cè)試市場(chǎng)反應(yīng)，即便初期產(chǎn)品未達(dá)量產(chǎn)規(guī)模，也能先以FPGA制成產(chǎn)品測(cè)試。

      或者有些芯片設(shè)計(jì)公司承接了小型的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在量產(chǎn)規(guī)模不足下也一樣使用FPGA，或如政府、軍方的特殊要求，不期望使用開放、標(biāo)準(zhǔn)性的芯片與電路，也會(huì)傾向使用FPGA。

      不過如前所述的，在愈來愈多芯片無法用開設(shè)掩膜模式投產(chǎn)后，這些芯片一樣要上市，就只好以FPGA模式來生產(chǎn)。所幸FPGA也受益于摩爾定律，在工藝技術(shù)不斷提升下，晶體管愈來愈縮密化，原本相較ASIC遜色的電路密度過低、頻率效能過低、電路成本過高等問題，在新一代FPGA上，早已拉近與ASIC間的表現(xiàn)差距。

      正因如此，近年來FPGA不斷搶食ASIC市場(chǎng)，迫使ASIC業(yè)者不得不推出策略因應(yīng)，最顯著的策略就是提出結(jié)構(gòu)化ASIC(Structured ASIC)，或者也稱為平臺(tái)化ASIC(Platform ASIC)，結(jié)構(gòu)化/平臺(tái)化ASIC，期望通過減少重新開設(shè)的掩膜數(shù)、減少電路修改成本及時(shí)間，使芯片可以更早上市。

      但結(jié)構(gòu)化/平臺(tái)化ASIC只是減少重開掩膜的張數(shù)，并不能完全免除掩膜的使用，加上配套的設(shè)計(jì)工具(EDA)與已有數(shù)十年運(yùn)用的ASIC、FPGA相比，明顯不夠完備，后勢(shì)發(fā)展與市場(chǎng)接受度尚待時(shí)間考驗(yàn)。特別是LSI Logic(巨積科技)、NEC Electronics(恩益禧電子)等大廠紛紛退出后，結(jié)構(gòu)化ASIC的推行氣勢(shì)就更為薄弱。

      當(dāng)然，F(xiàn)PGA因掩膜成本攀升以及摩爾定律而逐漸走俏，成本、效能等特性表現(xiàn)也逐漸改善，但依然有一點(diǎn)是FPGA持續(xù)低弱的，那就是功耗用電。就一般而言，要實(shí)現(xiàn)相同的功效電路，用FPGA手法實(shí)現(xiàn)的功耗用電是ASIC手法的15倍之高。

      功耗用電依然是FPGA的罩門

      FPGA雖積極使用最先進(jìn)的工藝技術(shù)提升效能、降低成本，但工藝日益縮密的結(jié)果是：晶體管的漏電流(Leakage Current)愈來愈大，包括從源極(Source)到汲極(Drain)之間的電流漏往基極(Body)，也包括閘極(Gate)直接漏至基極。

      關(guān)于此目前半導(dǎo)體業(yè)界也提出各種漏電防制之道，例如IBM提出硅絕緣(SOI)技術(shù)，可減少源極通往汲極間的漏電，或如Intel于2007年11月發(fā)表的高介電質(zhì)金屬閘極技術(shù)，則可減少閘極的漏電。

      不過，F(xiàn)PGA本身因具備可程序化的天性，其邏輯閘電路用量必然高于ASIC，因此其功耗用電確實(shí)很難收斂，以致于到今天為止，凡是以電池運(yùn)作的手持式應(yīng)用都無法使用FPGA，至多是使用邏輯閘數(shù)目較少的CPLD。而根據(jù)研究調(diào)查機(jī)構(gòu)iSuppli的推論：如果FPGA因功耗用電的改善而能用于手持式應(yīng)用的話，則FPGA的市場(chǎng)將可能再增加30億美元。也因?yàn)槿绱?，現(xiàn)在FPGA業(yè)者都以減少FPGA用電為研發(fā)目標(biāo)。

      近年來的FPGA市場(chǎng)發(fā)展

      了解FPGA的近年來發(fā)展后，最后也必須了解一下FPGA業(yè)者的發(fā)展趨勢(shì)，事實(shí)上90年代后期FPGA市場(chǎng)就已經(jīng)過一番激烈整合，許多業(yè)者不是退出PLD(可程序化邏輯裝置)市場(chǎng)，就是出售其PLD業(yè)務(wù)部門，或?qū)LD業(yè)務(wù)部門分立成獨(dú)立公司，或進(jìn)行購(gòu)并等。

      時(shí)至今日，F(xiàn)PGA市場(chǎng)的主要業(yè)者僅剩數(shù)家，包括Altera、Xilinx(賽靈思，過去稱為：智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等，不過2007年11月QuickLogic也確定淡出FPGA市場(chǎng)，并轉(zhuǎn)進(jìn)發(fā)展CSSP(Customer Specific Standard Product)，甚至QuickLogic公司的總裁、主席、執(zhí)行長(zhǎng)(中國(guó)內(nèi)地方面稱為：首席執(zhí)行官，或首席行政官)E. Thomas Hart就直言：Altera與Xilinx已經(jīng)成為FPGA領(lǐng)域的「可口可樂」與「百事可樂」。言下之意就是，除此之外第三家FPGA業(yè)者，很難有竄頭的機(jī)會(huì)。

      話雖如此，但FPGA領(lǐng)域依然有新興業(yè)者出現(xiàn)，例如Achronix Semiconductor、MathStar等。且除了單純數(shù)字邏輯性質(zhì)的可程序邏輯裝置外，混訊、模擬性質(zhì)的可程序邏輯裝置也展露頭角，例如Cypress Semiconductor的PSoC(Programmable System-on-Chip)即具有可組態(tài)性的混訊電路，或如Actel公司也提出可程序化的混訊芯片：Fusion，或者也有業(yè)者提出所謂的現(xiàn)場(chǎng)可程序化模擬數(shù)組(Field Programmable Analog Array；FPAA)等，相信這些都能為可程序化芯片帶來更多的發(fā)展動(dòng)能。 

   



      △圖說：雖然今日的半導(dǎo)體工藝工藝仍然持續(xù)合乎摩爾定律(Moore’s Law)，但真正能以最新工藝量產(chǎn)的芯片已愈來愈少。圖中為摩爾定律中「每18個(gè)月」與「每24個(gè)月」的趨勢(shì)發(fā)展曲線比較。 

                    

      △圖說：IBM位在美國(guó)佛蒙特州(Vermont)伯靈頓市(Burlington)的掩膜技術(shù)中心(Mask Technology Center)，該中心專責(zé)研發(fā)、制造IBM公司的8英英寸、12英英寸晶圓用的掩膜，圖中無塵室的工作人員正在審視掩膜。（www.IBM.com） 

    
  
      △圖說：FPGA的功耗用電表現(xiàn)愈來愈受到關(guān)注，因此美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor；NS)針對(duì)Xilinx公司的FPGA及CPLD提出了電源設(shè)計(jì)工具：Power Expert，運(yùn)用工作可加速FPGA應(yīng)用電路的電源設(shè)計(jì)。（www.National.com） 

         

      △圖說：AMI Semiconductor推行ASIC(Cell型)及Structured ASIC(結(jié)構(gòu)化ASIC)，其中結(jié)構(gòu)化ASIC以XpressArray-II(簡(jiǎn)稱：XPA-II)之名推行，XPA-II以150nm工藝制造，工作頻率最高至500MHz，并整合390萬個(gè)ASIC邏輯閘及480萬位的內(nèi)存。（www.AMIS.com） 
                      
     

      △圖說：QuickLogic于2005年發(fā)表、2006年量產(chǎn)的FPGA芯片：PolarPro系列，PolarPro可進(jìn)行一次性的可程序化，并具有極低的運(yùn)作用電。圖中是PolarPro芯片與鉛筆筆尖的體積比較。（www.QuickLogic.com） 

               

      △圖說：QuickLogic最新推出的ArcticLink系列芯片。ArcticLink除了與FPGA一樣具有可程序化的電路外，還內(nèi)建了USB 2.0 HS OTG、SD/SDIO、MMC、CE-ATA等接口，以及USB實(shí)體接口及處理器接口。QuickLogic以CSSP(Customer Specific Standard Product)訴求來推行ArcticLink。（www.QuickLogic.com） 

 

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