几乎无所不能的FPGA

随着成本、功耗和容量的不断改善,FPGA和CPLD已经广泛渗透到消费电子和汽车电子应用市场,其市场份额几乎已与通信市场二分天下。但通信和工业领域仍是FPGA两块最大的终端用户市场,Cisco、华为、西门子等公司的交换机、无线基站等设备大量采用了FPGA进行设计。利用FPGA的可编程特性,甚至可以在设计完成以后对系统进行升级,以适应新的标准或提供更多的功能。

FPGA和CPLD为工业产品提供丰富功能

所有这些市场都有一个共同的特点：小批量、多品种、灵活性、多功能、要求产品快速上市,而这正是FPGA最擅长的工作。

FPGA饱受功率问题困扰

与ASIC相比,FPGA的弱点在于性能慢、密度低、功耗大,目前性能和密度问题已基本解决,功耗问题成为芯片供应商面临的最大挑战,尤其是进入深亚微米节点后,漏电流的增加会导致静态功耗上升。FPGA的布线电容是ASIC的10到100倍,并具有更大的线迹和大量的晶体管,这些晶体管虽然不会在电路工作中使用,但是却仍然产生泄漏功率。与此同时,OEM对降低功耗、延长电池的使用时间与降低成本和体积等方面的需求还会攀升。iSuppli曾预计,如果能解决功耗问题,未来FPGA至少能夺走30亿美元的ASIC市场份额。

在Altera公司的Quartus工具中,就可以对嵌入式RAM模块的功率进行监控映射,能够将时钟周期内处于活动状态的RAM数目最小化。该方案可以将存储器的动态功率降低21%,将总动态功率降低7%,而性能和逻辑方面的牺牲仅为1%。

QuickLogic公司开发出了反熔丝型的Polar Pro系列FPGA,其待机时电流不足10μA,具有超低功率、耗电量非常小的待机模式。这种模式通过将内部逻辑内核与外部I/O焊点分开等措施,降低了耗电量。在待机模式下,也能维持I/O电路状态和内部寄存器的值,可在数微秒内从待机模式恢复正常。

Actel则在ProASIC3 Flash FPGA的基础上,推出了低功耗的IGLOO系列FPGA。IGLOO系列FPGA采用了多种功率优化技术和130nm工艺,使静态功耗降至5μW,支持1.2V电压,具有多种功率模式以优化功耗,包括Flash*Freeze模式、低功耗工作模式和睡眠模式。

降低FPGA功耗的比赛才刚刚开始,尽管目前看来FPGA还没有办法将功耗降低到ASIC的功耗等级,但并不说明没有解决办法,在市场的推动下,各个公司会投入大量资源开发低功耗技术,会使FPGA的功耗越来越接近ASIC。

竞相采用65nm工艺

FPGA厂商总是先进制造工艺的尝鲜者。Xilinx公司已经正式推出采用65nm工艺制造的新一代FPGA产品Virtex-5系列。Virtex-5系列有三个主要特点：65nm三极栅氧化层技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构。与上一代90nm产品Virtex-4相比,Virtex-5 FPGA的速度平均提高30%,容量增加65%,同时动态功耗降低35%,静态功耗保持相同的低水平,使用面积减小45%。Virtex-5采用了具有六个独立输入的查找表(LUT)和新型对角互连结构,减少了逻辑层次,改进了构造块之间的信号互连,使逻辑性能比上一代Virtex-4平均提高30%。

另一大FPGA厂商Altera迟迟未发布65nm的产品,它希望在成品率提高到90%以上再正式发布。业界推测Altera将在2006年底推出65nm的Stratix III系列,将采用增强版自适应逻辑模块(ALM)。ALM是几年前Altera推出Stratix II FPGA的时候引入的逻辑结构,允许设计者实现两个大小相同或不同的LUT组合,是Stratix II和III灵活性的关键所在。ALM允许设计者将多个LUT配置在单个ALM中,经验表明,80%的场合下,两个LUT可能配置在单一ALM中。40%的场合下,两个4输入LUT可能配置在单一ALM中,24%的场合下,两个5输入LUT可能配置在单一ALM中,因此这种逻辑结构具有非常好的适用性和灵活性,在很多设计中可以节约大量的逻辑资源。除了逻辑灵活性外,Altera的65nm Stratix III产品线中使用的增强版ALM集成了软件配置功能,允许客户在性能和功耗间进行平衡,让每个逻辑单元可根据设计需求调节功耗。客户可以通过调节时钟速度,获得不同的功耗水平,当客户对时钟速度要求不太高的时候,可以获得非常低的功耗。在相同时钟工作频率下,Stratix III的总体功耗可降低到Stratix II的一半,如工作时钟频率相对降低30%,则其整体功耗更可降低70%。

由于FPGA是一种通用逻辑器件,采用更先进的工艺来提高性能、降低成本和功耗是其不二法门。在完成向65nm工艺转型后,Altera和Xilinx还会将缩小线宽的竞赛延伸到45nm和32nm,但前提是能够解决漏电流和功耗的问题。

消费电子成FPGA竞争热点

消费电子产品具有种类繁多,产品生命周期短,更新速度快的特点,并且对功耗和成本有严格的要求。随着价格的下降,FPGA在许多市场上已经能和ASIC分庭抗礼,并且在中批量的情况下,采用FPGA比ASIC更具有成本优势。

以Altera公司为例,目前消费电子应用占Altera公司总体收入的16%,而且还在以20%的速度增长,这得益于低成本的Cyclone系列FPGA,已经有非常多的成功案例。Leapfrog公司的Leapster L-MAX游戏机采用了MAX II CPLD,实现了很好的视频处理性能和低功耗;Roku Labs公司的网络音乐播放器利用MAX II桥接无线通信模块和DSP;Loewe公司的大屏幕液晶电视采用Cyclone II实现低成本的图像增强功能;Humax的个人视频录像机使用Cyclone实现灵活的接口,并大大减少了产品上市时间。对于中高端产品,为了性能的需求,客户也可以采用结构化ASIC,数字电视和DLP电视已经有应用HardCopy的成功实例。

Xilinx也在利用低成本的Spartan-3加紧向消费电子市场的渗透,加大向机顶盒、DVD播放器、HDTV、汽车应用等领域的推广,并推出了专门的显示系统参考设计。QuickLogic公司和Actel公司也不约而同地瞄准了消费电子市场,他们推出的Polar Pro系列和IGLOO系列FPGA具有很低的功耗,将用于智能手机、无线PDA等便携式产品当中。

结构化ASIC成败未定

由于FPGA是通过查找表来建立硬件逻辑的,因此存在大量的逻辑冗余,有许多逻辑资源未被利用。转化为结构化ASIC,就可以省去这些没有用到的晶体管和布线,从而缩小芯片尺寸,降低功耗和成本。例如,某项应用需要24mm×24mm的EP2S180或18mm×18mm的EP2S90,转换成同样功能的HardCopy结构化ASIC HC230、HC2201和HC210后,硅片尺寸缩小到10mm×10mm、8mm×8mm、6.5mm×6.5mm,节省的成本和功耗将非常可观。

Altera公司在结构化ASIC市场上的占有率超过50%,同时拥有FPGA和名为HardCopy的结构化ASIC产品,客户只要把FPGA设计好,网表和时序的约束定义好,Altera可以在16周左右的时间之内完成从FPGA到HardCopy的移植并提供工程样片。FPGA与HardCopy的设计是在同一个软件平台上实现的,并且结构化ASIC保持与原型FPGA的引脚兼容性,这样即便结构化ASIC在应用时出现任何问题包括供货,也不会影响系统制造商的正常交货计划。

TI、飞利浦、LG、摩托罗拉和NEC等国际知名厂商都已经成功在其产品设计中采用了HardCopy方案。在中国市场上,3G TDS-CDMA无线基站、数字电视传输设备、网络安全设备等都会是结构化ASIC的用武之地。但与300亿美元的ASIC市场相比,结构化ASIC的销售额还不到5亿美元,前景尚未可知。

ASIC、CPLD、FPGA、结构化ASIC,各个产品都在不断发展,用户在选择时的确要费心思量,但有一点是不变的,那就是在性能、成本、功耗、产品上市时间中取得平衡。在需要产品快速上市和小批量的市场,FPGA无疑将是赢家,如果能不断降低成本和功耗,FPGA在消费电子、汽车电子、通信、广播、工业等市场的应用将更加广泛。