迈入28nm世代 FPGA跃升系统核心元件

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FPGA的发展将进入全新里程碑。在28奈米先进制程的推波助澜下，FPGA不仅功能整合度更甚以往，产品性价比也更逼近ASSP与ASIC方案；再加上FPGA业者不断提升矽智财及开发工具支援能力，让FPGA在系统中的角色益发重要。
由于电路结构较为单纯，FPGA一直是最早采用先进制程的半导体元件。随着制程技术的持续微缩，也让FPGA的功能不断增强。而进入28奈米世代带来的高度功能整合性，更是让FPGA从1990年代取代胶合逻辑(Glue Logic)、2000年代试图取代ASIC、DSP进入通讯、量测等应用领域，到现在的2010年代，更将进一步锁定既有的微处理器市场，积极扩大到高效能运算、储存、汽车等更广泛的应用范围。  

Xilinx和Altera两家龙头FPGA均看好28奈米世代可能带来的新机会，已展开从矽晶、应用解决方案到开发环境的全方位布署，在两家公司激烈竞争的同时，也将致力于推动产业朝系统级可程式元件的设计移转。  

矽晶融合的新时代

                               
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图1 Altera资深副总裁暨军事、工业和运算部门总经理Jeff Waters表示，FPGA与主流ASSP/ASIC的制程落差持续加大，将使FPGA成本更具优势。
Altera资深副总裁暨军事、工业和运算部门总经理Jeff Waters(图1)认为，现在是FPGA的矽晶融合时代，业界已进展到将朝FPGA移转的转折点。  

他解释说，FPGA和传统ASIC间的制程技术落差已越来越明显。若以新启设计专案采取的主流制程技术来看，在2005年，FPGA进入90奈米，而ASIC仍维持130奈米，两者首次出现落差。到2008年，FPGA已进入40奈米，ASIC却仍维持130奈米；而至2011年，28奈米FPGA已进入量产，主流的ASIC才进入90奈米(图2)。随着制程技术的落差持续加大，40奈米FPGA的晶片尺寸已经与130奈米ASIC相差不大，但具备更佳的整合功能与可编程特性，已使得FPGA成为更具整体成本优势的设计选择，将能够抢夺更多ASIC/ASSP的市场。  

                               
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图2 主流可编程逻辑与ASIC采用的制程技术落差日益加大

Waters表示，以包括微处理器和DSP的通用处理器、特定应用的ASSP和ASIC，以及FPGA三种主要的设计方法来看，通用处理器拥有灵活性优势，而特定应用元件则具备效率优势。然而，现今的产品开发却面临需要兼顾灵活性与效率的两难。在此趋势下，整合微处理器核心、DSP、特定应用IP和可编程架构的FPGA，便成为矽晶融合下更理想的方案。  

                               
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图3 Xilinx可编程平台部门资深副总裁Victor Peng指出，28奈米将使可编程系统的整合更上层楼。
Xilinx可编程平台部门资深副总裁Victor Peng(图3)也发表了同样的观点。他认为，28奈米将带来突破性的可编程系统整合，能够以更少的晶片数量，更快速的完成产品开发，显著提升设计生产力。Xilinx也将致力于推动可编程系统整合的发展。  

从可编程元件到系统级的可编程整合，Xilinx和Altera都试图将FPGA从处理I/O、介面的非核心元件，透过制程微缩带来的功能整合效益，将其提升到系统的核心位置。  

然而这样的概念必须配合建构完整的软体开发工具与环境才有可能实现。Peng表示，在可编程系统整合的发展趋势下，未来系统设计的瓶颈也将移转，包括矽智财(IP)重覆使用、演算法和RTL级IP的整合、以及晶片模块和系统的验证等。而在建置方面，如何处理阶层式晶片布局、多领域最佳化、可预测的设计与时序收敛，以及克服设计后期设计变更带来的影响等。  

为了因应这样的设计典范移转，Xilinx花了4年多的时间，开发了全新的Vivado设计套件。Peng指出，这是以IP和系统为中心的下一代设计环境，能为未来10年“完全可编程”(All-Programmable)元件的广泛应用奠定基础，能够提升整合与系统建置的速度达四倍之多。  

Altera则是采用开放标准，将以OpenCL语言编程FPGA。Waters表示，这能让程式设计人员发挥Altera的硬体技术，并提供逻辑和资料管理，这对产品上市时程和设计生产力都会带来正面效益。  

看好3D IC发展前景

为了进一步提升FPGA的整合度，两家公司都对投入先进3D IC技术展现出非常积极的态度。Xilinx已于去年发表采用台积电65奈米矽中介层技术，将四个7V2000T平行排列结合在一起的2.5D IC元件。Altera则是于今年3月与台积电共同宣布，已成功利用台积电的CoWoS技术，开发出全球首款异质3D IC测试晶片，将类比、逻辑和记忆体等不同晶片技术堆叠在单一晶片上。  

对于Altera的CoWoS测试晶片，Waters表示，这颗晶片还有许多高速I/O、功率分析、效能验证的工作要进行，目前只是原型概念。他认为，至少还需要两年的时间，才有可能正式就绪。  

当然，就制造基础架构、供应链合作、EDA软体、讯号完整性、成本和良率等各种层面来看，3D IC都还有许多挑战有待克服，但Xilinx和Altera都承诺将投入资源开发，期望能在此领域成为技术先驱。  

Waters认为，异质3D IC未来将带动更多的应用可能性，让业者拥有更多的想像空间。但是，供应链的挑战仍多，举个最简单例子来说，一颗将FPGA与ASIC结合在一起的3D IC，未来会是属于谁的产品？由谁来主导？整个商业模式与业者间的合作模式，都有可能需要改变。  

Altera加紧追赶Xilinx的脚步

看到新世代可能带来的成长机会，两家公司都卯足全力，期望在这样的趋势下推动营收的成长，彼此较劲的气氛更为浓厚。特别是多年来位居第二的Altera，更是企图迎头赶上Xilinx。  

根据IC Insights的资料显示，近3年来，Altera的营收成长速度优于Xilinx，已逐渐拉近两间公司的差距(表1)。  

                               
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Waters表示，市场研究报告显示，2008至2011年间，ASIC的整体市场成长率为1%，FPGA为9%，但Altera的成长率却达到15%，这意味着Altera不仅争取到更多的ASIC市场，也从竞争对手中赢得市占率。  

Waters说，Altera的成长主要受惠于高阶产品优势，在40至28奈米的市占率高达70%。而竞争对手便是因为代工厂问题，而使高阶制程发展受阻。他将此优势归功于Altera与台积电间长期、坚强的合作关系，让Altera能够获得更好的先进制程支援，而且确保传统制程元件的持续生产，这对工业客户来说，是非常重要的。他强调，Altera会维持单一晶圆代工夥伴的策略，这是不会改变的。  

Peng则是重申Xilinx的领导地位，并表示公司承诺将率先采用先进制程，同时截至目前已经在28奈米市场赢得超过70%的核心FPGA设计订单与100%的系统整合设计订单。由此可见，两间公司新一轮的竞争态势，已经展开。  

除了彼此竞争，两家公司事实上也是共同努力将FPGA的应用范畴扩大，以抢夺更多的ASIC/ASSP市场。  

Waters指出，FPGA在运算、储存、工业和汽车等应用的新机会庞大。举例来说，IBM已将FPGA作为伺服器的硬体加速器之用，可达到更快的执行速度。此外，Violin公司也因为FPGA拥有比微处理器更佳的时间延迟效能，以及嵌入式硬体IP，决定在其固态硬碟产品中采用FPGA。  

同时，两家公司也都看到了FPGA在视讯应用的商机，并分别在电子高峰论坛会场上，发布了FPGA在HD视讯分析、汽车驾驶辅助系统、即时视讯引擎参考设计和HD视讯处理等多项展示(图4)。  

                               
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图4 Xilinx的即时视讯引擎参考设计展示

展望未来的市场发展，Waters表示，通讯领域虽然仍是FPGA的最主要市场，而且在几家通讯大厂的推动下，FPGA仍将继续朝20/14奈米制程迈进。但是，就市场的成长动能来看，他认为工业、汽车和运算、储存将会有更佳的成长率。