FPGA最新发展趋势观察

      面对掩膜制造成本呈倍数攀升，过去许多中、小用量的芯片无法用先进的工艺来生产，对此不是持续使用旧工艺来生产，就是必须改用FPGA芯片来生产……

　　就在半导体大厂持续高呼摩尔定律(Moore’s Law)依然有效、适用时，其实背后有着不为人知的事实！理论上每18至24个月能在相同的单位面积内多挤入一倍的晶体管数，这意味着电路成本每18至24个月就可以减半，但这只是指裸晶(Die)的成本，并不表示整个芯片的成本都减半，然而也要最终成品的良率必须维持才能算数。

 

　　不能随摩尔定律而缩减的成本，包括晶圆制造更前端的掩膜(Mask)成本，以及晶圆制造更后端的封装(也称为：构装、包装)成本。

 

　　用低廉劳力来降低封装成本

 

　　先说明封装成本，每生产一颗芯片都需要一个芯片封装，理论上摩尔定律让芯片面积缩小，连带的封装上的面积用料也可以减少，所以封装成本也可以减少，但实际上不然，事实是：芯片一方面缩小面积，另一方面也让电路更加复杂，所需要的接脚数目增加，同时电路更缩密后其用电量相同，发热量也相同，但却只能用更小的面积来散热。

 

　　因此，封装无法随裸晶面积一同缩小，反而裸晶缩小后产生更

多难题需面对！包括置入更多数目的接脚、更佳的散热性等，所以封装需要投入更多研发资源，另外封装用料成本也必然因此增加，从过去简单的树脂材质，到之后的陶瓷材质，以及更之后的BGA封装、覆晶封装、IC载板等，封装的技术与成本都在逐步提高。

 

　　不过，欧美半导体大厂既然在晶圆制造上因摩尔定律而获得了成本精省，也必须正视封装成本居高不下的新问题，为了保有产品价格优势，欧美业者积极将封测厂移至海外，特别是移至劳力成本低廉的地方，过去是移至南韩、台湾、泰国、马来西亚，但近年来则再度迁移，迁至中国内地、越南、东欧，透过低廉劳力让芯片封装成本降低。

 

　　掩膜成本成指数性上升

 

　　封装成本可以倚赖低价劳动力来降低，那么更前端的掩膜方面呢？很不幸的，掩膜无法如封装一样用低价劳力来压低成本，相反的，随着晶体管的更缩密化，工艺的更先进化，掩膜的开设成本却只会呈现指数性攀升，130nm(纳米，中国内地方面称为：纳米)工艺缩密成90nm后，晶圆上的电路成本可以缩减一半，但掩膜成本却是要增加数倍。

 

　　所幸掩膜的开设次数并不多，掩膜建立一次后，可随着日后芯片的大量量产而分摊最初建置掩膜的成本，当产量高到一定的规模数量后，掩膜成本就能均摊到机近于零，所以即便掩膜因工艺提升而增加成本，也不用过于在意。

 

　　但是，运用量产来均摊掩膜成本的作法已经愈来愈不可行，掩膜成本一次又一次地倍增，光是一组130nm的掩膜就已经破百万美元，但芯片的需求量、产量却无法呈现倍增需求，以致近年来开设新掩膜的件数愈来愈少，从上万件退到数千件。

 

　　或许如上的描述尚不足以让人感受到严酷性，但从台湾集成电路制造公司(TSMC)蔡力行在公众场合曾说过的一段话就更能深刻体会：一家无晶圆厂业者(Fabless)新设计的芯片，在第一次试制品(Prototype)完成后，若其特性表现不佳后将必须修改设计，修改后进行第二次的试制，如果第二次试制的表现结果依然不理想，其实就不用进行第三次试制了，因为该业者的竞争对手已经避开其失败经验，一次就推出成功的芯片，即便业者愿意进行第三次尝试，前两次的试制成本已经过高，这些成本都必须转嫁到第三次的芯片上，未来就算能量产，其芯片价格也难与其它业者竞争，与其如此不如不做。

 

　　很明显的，前两次试制都失败的话，掩膜成本就足以让无晶圆厂芯片业者吃不消，最后必然要退出该芯片产品市场，此后除了加码原有的其它产品芯片外，就只能重新尝试、摸索其它类型的芯片市场。由此可见，掩膜成本已成为极可怕的压力，完全无法用封测厂外移的低价劳力方式抒解。

 

　　掩膜难以因应Time-To-Market

 

　　掩膜不仅成本节节攀升，更麻烦的是掩膜的开设时间无法缩短，每次都需要数十天的时间，然而芯片市场已从过去的信息、通讯市场转移至消费性电子市场，过去资通讯芯片的特点是少样多量，相同一致的芯片需求量极高，开设一次掩膜后可使用很久，并量产出极多芯片，相对的消费性电子的特性是少量多样(变化多)、变化快速，掩膜使用一段时间后就必须因应市场的改变而修改电路，使整组掩膜中有数张掩膜无法适用，必须重新开设。

 

　　所以，即便掩膜成本没有节节攀升，其变更速度也一样不适合今日的芯片市场，因此许多无晶圆厂业者已逐渐舍弃使用ASIC(用掩膜方式投产的芯片)，而用FPGA来推出其设计的芯片。

 

　　FPGA从麻雀到凤凰

 

　　FPGA并非是近年来才有的，FPGA一词于1984年就已经出现，至今已经超过20年以上的时间，不过过去十多年时间内FPGA都未受到太多的重视，原因是FPGA的功耗用电、电路密度、频率效能、电路成本等都不如ASIC，在这十多年时间内，FPGA多半只用在一些特殊领域，例如芯片业者针对新产品测试市场反应，即便初期产品未达量产规模，也能先以FPGA制成产品测试。

      或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目，在量产规模不足下也一样使用FPGA，或如政府、军方的特殊要求，不期望使用开放、标准性的芯片与电路，也会倾向使用FPGA。

 

　　不过如前所述的，在愈来愈多芯片无法用开设掩膜模式投产后，这些芯片一样要上市，就只好以FPGA模式来生产。所幸FPGA也受益于摩尔定律，在工艺技术不断提升下，晶体管愈来愈缩密化，原本相较ASIC逊色的电路密度过低、频率效能过低、电路成本过高等问题，在新一代FPGA上，早已拉近与ASIC间的表现差距。

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　　△图说：FPGA的功耗用电表现愈来愈受到关注，因此美国国家半导体公司(National Semiconductor；NS)针对Xilinx公司的FPGA及CPLD提出了电源设计工具：Power Expert，运用工作可加速FPGA应用电路的电源设计。（www.National.com）

 

 

　　△图说：AMI Semiconductor推行ASIC(Cell型)及Structured ASIC(结构化ASIC)，其中结构化ASIC以XpressArray-II(简称：XPA-II)之名推行，XPA-II以150nm工艺制造，工作频率最高至500MHz，并整合390万个ASIC逻辑闸及480万位的内存。（www.AMIS.com）

 

　　△图说：QuickLogic于2005年发表、2006年量产的FPGA芯片：PolarPro系列，PolarPro可进行一次性的可程序化，并具有极低的运作用电。图中是PolarPro芯片与铅笔笔尖的体积比较。（www.QuickLogic.com）

 

 

　　△图说：QuickLogic最新推出的ArcticLink系列芯片。ArcticLink除了与FPGA一样具有可程序化的电路外，还内建了USB 2.0 HS OTG、SD/SDIO、MMC、CE-ATA等接口，以及USB实体接口及处理器接口。QuickLogic以CSSP(Customer Specific Standard Product)诉求来推行ArcticLink。（www.QuickLogic.com）

 

　　正因如此，近年来FPGA不断抢食ASIC市场，迫使ASIC业者不得不推出策略因应，最显著的策略就是提出结构化ASIC(Structured ASIC)，或者也称为平台化ASIC(Platform ASIC)，结构化/平台化ASIC，期望通过减少重新开设的掩膜数、减少电路修改成本及时间，使芯片可以更早上市。

 

　　但结构化/平台化ASIC只是减少重开掩膜的张数，并

不能完全免除掩膜的使用，加上配套的设计工具(EDA)与已有数十年运用的ASIC、FPGA相比，明显不够完备，后势发展与市场接受度尚待时间考验。特别是LSI Logic(巨积科技)、NEC Electronics(恩益禧电子)等大厂纷纷退出后，结构化ASIC的推行气势就更为薄弱。

 

　　当然，FPGA因掩膜成本攀升以及摩尔定律而逐渐走俏，成本、效能等特性表现也逐渐改善，但依然有一点是FPGA持续低弱的，那就是功耗用电。就一般而言，要实现相同的功效电路，用FPGA手法实现的功耗用电是ASIC手法的15倍之高。

 

　　功耗用电依然是FPGA的罩门

 

　　FPGA虽积极使用最先进的工艺技术提升效能、降低成本，但工艺日益缩密的结果是：晶体管的漏电流(Leakage Current)愈来愈大，包括从源极(Source)到汲极(Drain)之间的电流漏往基极(Body)，也包括闸极(Gate)直接漏至基极。

 

　　关于此目前半导体业界也提出各种漏电防制之道，例如IBM提出硅绝缘(SOI)技术，可减少源极通往汲极间的漏电，或如Intel于2007年11月发表的高介电质金属闸极技术，则可减少闸极的漏电。

 

　　不过，FPGA本身因具备可程序化的天性，其逻辑闸电路用量必然高于ASIC，因此其功耗用电确实很难收敛，以致于到今天为止，凡是以电池运作的手持式应用都无法使用FPGA，至多是使用逻辑闸数目较少的CPLD。而根据研究调查机构iSuppli的推论：如果FPGA因功耗用电的改善而能用于手持式应用的话，则FPGA的市场将可能再增加30亿美元。也因为如此，现在FPGA业者都以减少FPGA用电为研发目标。

 

　　近年来的FPGA市场发展

 

　　了解FPGA的近年来发展后，最后也必须了解一下FPGA业者的发展趋势，事实上90年代后期FPGA市场就已经过一番激烈整合，许多业者不是退出PLD(可程序化逻辑装置)市场，就是出售其PLD业务部门，或将PLD业务部门分立成独立公司，或进行购并等。

 

　　时至今日，FPGA市场的主要业者仅剩数家，包括Altera、Xilinx(赛灵思，过去称为：智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等，不过2007年11月QuickLogic也确定淡出FPGA市场，并转进发展CSSP(Customer Specific Standard Product)，甚至QuickLogic公司的总裁、主席、执行长(中国内地方面称为：首席执行官，或首席行政官)E. Thomas Hart就直言：Altera与Xilinx已经成为FPGA领域的「可口可乐」与「百事可乐」。言下之意就是，除此之外第三家FPGA业者，很难有窜头的机会。

 

　　话虽如此，但FPGA领域依然有新兴业者出现，例如Achronix Semiconductor、MathStar等。且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外，混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角，例如Cypress Semiconductor的PSoC(Programmable System-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路，或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片：Fusion，或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(Field Programmable Analog Array；FPAA)等，相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。

 

 

　　△图说：虽然今日的半导体工艺工艺仍然持续合乎摩尔定律(Moore’s Law)，但真正能以最新工艺量产的芯片已愈来愈少。图中为摩尔定律中「每18个月」与「每24个月」的趋势发展曲线比较。

 

 

　　△图说：IBM位在美国佛蒙特州(Vermont)伯灵顿市(Burlington)的掩膜技术中心(Mask Technology Center)，该中心专责研发、制造IBM公司的8英英寸、12英英寸晶圆用的掩膜，图中无尘室的工作人员正在审视掩膜。（www.IBM.com）