從小池塘里的大魚到大海里的小魚

　　"展望整個半導體市場，只有FPGA是黑暗中的亮點。"這句話雖然夸張，卻也不無道理。這兩年來，F(xiàn)PGA的價格、功耗在不斷降低，同時性能越來越高，加上它靈活的可編程特性，非常適合目前對成本、功耗、產(chǎn)品個性化和快速上市的苛刻要求。過去，F(xiàn)PGA以其復雜龐大的架構，主要定位于電信市場等對速度、性能要求很高的領域。而現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已經(jīng)可以應用到更廣泛的領域中去了，高端消費類電子、HDTV、PDA、醫(yī)療、安防等。就拿賽靈思公司來說，5年前，它90%的收入來自電信市場，而現(xiàn)在，非電信市場正以25%的速度增長，消費類電子市場的份額已經(jīng)達到15%。賽靈思公司CTO Ivo Bolsens形容，"過去賽靈思就象是小池塘里的大魚，雖然占領了可編程邏輯市場55%的市場份額，但整個目標市場總共也就50億美金，而現(xiàn)在不斷拓展的廣泛應用使得我們就如暢游在大海中的小魚，目標市場涵蓋了高端FPGA、ASSP和ASIC、嵌入式平臺、DSP等領域，整個市場規(guī)模達到400-500億美金甚至更多，F(xiàn)PGA有巨大的發(fā)展空間。"

　　挑戰(zhàn)技術極限靠膽識 靠實力

　　那么，到底是什么原因讓FPGA突破了狹窄的市場局限，走向更廣泛的應用呢？Bolsens先生為我們詳細分析了這個問題。

　　首先，F(xiàn)PGA廠商一直都在積極地采用的半導體生產(chǎn)工藝技術。從130nm到90nm，再到65nm。越來越先進的生產(chǎn)工藝會大大提高FPGA電路的集成度和性能，減少成本、尺寸和功耗。但另一方面，更先進工藝技術對晶體管的特性和FPGA廠商的技術實力及資金實力都是極大的挑戰(zhàn)。更小的納米工藝會改變晶體管的特性，電壓飽和，泄漏電流增大，這就要求FPGA廠商必須找到技術上的解決辦法；此外，每次更新生產(chǎn)工藝都意味著巨大的資金投入和更長的投資回報期，只有資金雄厚、擁有廣泛應用市場、足夠大的批量做后盾的公司才有實力承擔。Altera、Xilinx這對FPGA行業(yè)的雙雄一直都在馬不停蹄采用更先進的半導體工藝，不斷推出基于新工藝的產(chǎn)品，據(jù)了解，兩家廠商正緊鑼密鼓地謀劃45nm產(chǎn)品的研發(fā)，再挑戰(zhàn)技術極限，估計45nm FPGA產(chǎn)品的面世也是指日可待的事情了。

　　在功耗上，F(xiàn)PGA廠商找到了特定的技術來減少因更先進的納米技術帶來的晶體管泄漏電流，適時關閉暫時不使用的邏輯單元和功能來降低功耗，同時通過軟件來幫助客戶優(yōu)化性能?？傊現(xiàn)PGA廠商從整個設計鏈的每一個環(huán)節(jié)進行全面優(yōu)化，讓客戶可充分享受先進納米技術帶來的性能、成本和價格優(yōu)勢。

　　除了以上這些方面，賽靈思還提供很多標準的IP給客戶，并為一些熱門應用提供交鑰匙的方案，如視頻、無線等，以及為汽車電子等特殊應用市場提供定制化的平臺。總的來說，賽靈思為客戶提供的是從通用器件到專用市場的全面解決方案，只有這樣才能有足夠的實力應對市場和資金上的挑戰(zhàn)和風險。

　　市場給FPGA帶來巨大機遇

　　Bolsens先生進一步分析了為什么"FPGA成為半導體市場上的一大亮點"。事實上，是終端市場的發(fā)展為FPGA帶來了更多機遇。在終端市場上，音頻、視頻和數(shù)據(jù)的同步處理成為一個主要趨勢，包括數(shù)字電視、便攜式產(chǎn)品、醫(yī)療、汽車等應用都要求對音頻、視頻和數(shù)據(jù)進行同時傳輸和處理，這稱為三重播放。三重播放的實現(xiàn)要求具備三方面的能力，其一，數(shù)字信號處理能力，能夠處理音視頻和數(shù)據(jù)信號；其二，高速運算能力，對數(shù)據(jù)進行分析；其三，包處理能力，負責數(shù)據(jù)的傳輸。FPGA在這個趨勢上扮演一個非常重要的角色，既支持基礎設施，也支持終端產(chǎn)品。以賽靈思的產(chǎn)品來說，對三重播放基礎設施的支持主要是由賽靈思的高端器件支持，比如Virtex-5，在這三方面都做了很多的專門設計，比如有非常強大的DSP處理功能，有強大的互聯(lián)功能，以及提供強大的運算功能，能夠支持企業(yè)級和電信級的應用。對消費電子這些大規(guī)模應用的領域，賽靈思的Spartan產(chǎn)品，可以對用戶的設計進行保護。Spartan產(chǎn)品線上的一員就是Spartan-3A DSP。

　　在數(shù)字信號處理能力方面，目前基于處理器的數(shù)字信號處理器都有一個處理能力的上限， 5G/s。但目前正在出現(xiàn)的一些消費電子類的應用，都要求有5G-30G/s的速度。傳統(tǒng)的基礎結構和基站對運算量的要求更是達到350G/s。為了順應這個性能要求，賽靈思一個重大的改進就是把以前的邏輯單元替換成DSP，同時在持續(xù)地達到這個運算量所需要的功耗比過去反而降低了。如Virtex-5比Virtex-4功耗降低了75%。

　　包處理能力方面的需求也很大，網(wǎng)絡安全、3D等都會用到包處理。在互聯(lián)性方面，很多新的互聯(lián)標準不斷推出，系統(tǒng)需要一個可編程的接口來兼容這些標準。和專用芯片比起來，F(xiàn)PGA擁有10倍的速度，而成本和功耗降低10倍。

　　在計算能力方面，F(xiàn)PGA早是通過PCI和處理器連到一起，來滿足計算處理能力的要求。的進展是FPGA可以直接和主處理器連接，而不需要通過南北橋、總線來進行連接，同時能夠訪問它的內(nèi)存，在該階段FPGA作為協(xié)處理器形式出現(xiàn)；而在的第三階段，在多核系統(tǒng)里，F(xiàn)PGA作為與處理器對等的角色出現(xiàn)，F(xiàn)PGA地位已經(jīng)上升成為處理器平等、合作的伙伴關系。這種對等結構非常新，同時也有很多技術挑戰(zhàn)。

　　在高速運算領域里，F(xiàn)PGA的功耗有的優(yōu)勢，省卻了散熱器、處理器總線這些體系結構的限制，從而達到很高的I/O處理能力。此外，還有一個非常重要的因素就是軟件與硬件的完美結合，用軟件直接進行優(yōu)化，這方面需要FPGA廠商的合作伙伴投入很大的工作量。

　　生態(tài)圈比以往更加重要

　　Bolsens先生特別強調(diào)了FPGA產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的重要性。對于現(xiàn)在的FPGA廠商來說，一個很大的挑戰(zhàn)在于FPGA各種各樣的創(chuàng)新應用越來越多，F(xiàn)PGA廠商自己都無暇顧及這些嶄新的應用，此外，軟硬件的協(xié)同設計，尤其是通過軟件加強對終端市場的應用進行定制化設計，為嶄新的應用提供解決方案，更需要多方合作伙伴的支持和合作。因此，為了能夠更好地推動FPGA在更廣泛市場的應用，建立一個FPGA產(chǎn)業(yè)的生態(tài)圈比以往都更加迫切和必要。

　　在中國市場上，賽靈思的思路主要有兩方面。，賽靈思將對于能夠幫助賽靈思建立產(chǎn)業(yè)鏈的合作伙伴進行投資，比如那些剛剛創(chuàng)辦的公司，他們或者能夠在FPGA基礎上進行創(chuàng)新，或者能夠使FPGA實現(xiàn)更簡單的應用，它們對FPGA進入新的市場領域起著非常關鍵的作用。賽靈思正在積極尋求能夠和該戰(zhàn)略相聯(lián)系的新興初創(chuàng)公司，如果他們能夠提供更好的有吸引力的商業(yè)模式，就會向他們投資。其二，建立更好的合作伙伴的生態(tài)系統(tǒng)關系，比如培訓和教育，使那些從來沒有用過賽靈思產(chǎn)品的工程師能發(fā)現(xiàn)其中的潛力并學會使用它。大學對推動和宣傳FPGA是一個非常好的地方。賽靈思和許多國際大學已經(jīng)進行了成功的合作。比如賽靈思在美國德州的Rice大學開發(fā)了一個通用的平臺，并形成了一個很大的學術界社區(qū)，社區(qū)里提供開放源碼的軟件和參考設計，還提供各種各樣設計。在包處理領域里，賽靈思在斯坦福大學支持做路由器開放源碼的項目，很多學校都在該項目的基礎上做各種各樣的研究、教學和應用。這些項目匯集了美國50多個大學參與研究。賽靈思同時也希望中國的大學能夠參與進來。

    目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)當中，軟件開發(fā)速度尚跟不上硬件，而硬件電路設計跟不上半導體工藝發(fā)展速度。因此才有通過提供優(yōu)質(zhì)FPGA把更多的應用設計空間和系統(tǒng)開發(fā)留給其他嵌入式系統(tǒng)設計者的可能，而要完成這個設計，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺的建設就變得必不可少了，可以預見我們將進入一個嵌入式系統(tǒng)軟核設計時代。

    得益于半導體技術的高速發(fā)展，F(xiàn)PGA正努力遵循著摩爾定律穩(wěn)步地壯大著自己的實力。FPGA的從業(yè)者在這個發(fā)展當中看到了更多意想不到的創(chuàng)意和可能，于是他們一方面在不斷地提高性能和降低成本與體積，一方面也在探索著其他領域或者方向的發(fā)展可能。也許有一天，誰家的技術更先進之爭已無意義，而更多比較的是哪家廠商更好地與其他廠商合作，市場需要雙贏甚至多贏的。而FPGA要成為一個平臺，前面要走的路似乎還太長太曲折，不過我們有理由相信，也許在不久的將來，我們可以在大部分的電子設備當中發(fā)現(xiàn)FPGA的蹤影。