FPGA：矢志不移 奔向未来

从小池塘里的大鱼到大海里的小鱼

"展望整个半导体市场，只有FPGA是黑暗中的亮点。"这句话虽然夸张，却也不无道理。这两年来，FPGA的价格、功耗在不断降低，同时性能越来越高，加上它灵活的可编程特性，非常适合目前对成本、功耗、产品个性化和快速上市的苛刻要求。过去，FPGA以其复杂庞大的架构，主要定位于电信市场等对速度、性能要求很高的领域。而现在，FPGA已经可以应用到更广泛的领域中去了，高端消费类电子、HDTV、PDA、医疗、安防等。就拿赛灵思公司来说，5年前，它90%的收入来自电信市场，而现在，非电信市场正以25%的速度增长，消费类电子市场的份额已经达到15%。赛灵思公司CTO Ivo Bolsens形容，"过去赛灵思就象是小池塘里的大鱼，虽然占领了可编程逻辑市场55%的市场份额，但整个目标市场总共也就50亿美金，而现在不断拓展的广泛应用使得我们就如畅游在大海中的小鱼，目标市场涵盖了高端FPGA、ASSP和ASIC、嵌入式平台、DSP等领域，整个市场规模达到400-500亿美金甚至更多，FPGA有巨大的发展空间。"

挑战技术极限靠胆识 靠实力

那么，到底是什么原因让FPGA突破了狭窄的市场局限，走向更广泛的应用呢？Bolsens先生为我们详细分析了这个问题。

首先，FPGA厂商一直都在积极地采用最先进的半导体生产工艺技术。从130nm到90nm，再到65nm。越来越先进的生产工艺会大大提高FPGA电路的集成度和性能，减少成本、尺寸和功耗。但另一方面，更先进工艺技术对晶体管的特性和FPGA厂商的技术实力及资金实力都是极大的挑战。更小的纳米工艺会改变晶体管的特性，电压饱和，泄漏电流增大，这就要求FPGA厂商必须找到技术上的解决办法；此外，每次更新生产工艺都意味着巨大的资金投入和更长的投资回报期，只有资金雄厚、拥有广泛应用市场、足够大的批量做后盾的公司才有实力承担。Altera、Xilinx这对FPGA行业的双雄一直都在马不停蹄采用更先进的半导体工艺，不断推出基于新工艺的产品，据了解，两家厂商正紧锣密鼓地谋划45nm产品的研发，再一次挑战技术极限，估计45nm FPGA产品的面世也是指日可待的事情了。

此外，在架构上，FPGA集成进去更多硬核，以满足特定市场的特定需求，比如PCIe、DSP、以太网总线、串行收发器等。

在功耗上，FPGA厂商找到了特定的技术来减少因更先进的纳米技术带来的晶体管泄漏电流，适时关闭暂时不使用的逻辑单元和功能来降低功耗，同时通过软件来帮助客户优化性能。总之，FPGA厂商从整个设计链的每一个环节进行全面优化，让客户可充分享受先进纳米技术带来的性能、成本和价格优势。

除了以上这些方面，赛灵思还提供很多标准的IP给客户，并为一些热门应用提供交钥匙的方案，如视频、无线等，以及为汽车电子等特殊应用市场提供定制化的平台。总的来说，赛灵思为客户提供的是从通用器件到专用市场的全面解决方案，只有这样才能有足够的实力应对市场和资金上的挑战和风险。

市场给FPGA带来巨大机遇

Bolsens先生进一步分析了为什么"FPGA成为半导体市场上的一大亮点"。事实上，是终端市场的发展为FPGA带来了更多机遇。在终端市场上，音频、视频和数据的同步处理成为一个主要趋势，包括数字电视、便携式产品、医疗、汽车等应用都要求对音频、视频和数据进行同时传输和处理，这称为三重播放。三重播放的实现要求具备三方面的能力，其一，数字信号处理能力，能够处理音视频和数据信号；其二，高速运算能力，对数据进行分析；其三，包处理能力，负责数据的传输。FPGA在这个趋势上扮演一个非常重要的角色，既支持基础设施，也支持终端产品。以赛灵思的产品来说，对三重播放基础设施的支持主要是由赛灵思的高端器件支持，比如Virtex-5，在这三方面都做了很多的专门设计，比如有非常强大的DSP处理功能，有强大的互联功能，以及提供强大的运算功能，能够支持企业级和电信级的应用。对消费电子这些大规模应用的领域，赛灵思的Spartan产品，可以对用户的设计进行保护。Spartan产品线上最新的一员就是Spartan-3A DSP。

在数字信号处理能力方面，目前基于处理器的数字信号处理器都有一个处理能力的上限， 5G/s。但目前正在出现的一些消费电子类的应用，都要求有5G-30G/s的速度。传统的基础结构和基站对运算量的要求更是达到350G/s。为了顺应这个性能要求，赛灵思一个最重大的改进就是把以前的逻辑单元替换成DSP，同时在持续地达到这个运算量所需要的功耗比过去反而降低了。如Virtex-5比Virtex-4功耗降低了75%。

包处理能力方面的需求也很大，网络安全、3D等都会用到包处理。在互联性方面，很多新的互联标准不断推出，系统需要一个可编程的接口来兼容这些标准。和专用芯片比起来，FPGA拥有10倍的速度，而成本和功耗降低10倍。

在计算能力方面，FPGA最早是通过PCI和处理器连到一起，来满足计算处理能力的要求。最新的进展是FPGA可以直接和主处理器连接，而不需要通过南北桥、总线来进行连接，同时能够访问它的内存，在该阶段FPGA作为协处理器形式出现；而在最新的第三阶段，在多核系统里，FPGA作为与处理器对等的角色出现，FPGA地位已经上升成为处理器平等、合作的伙伴关系。这种对等结构非常新，同时也有很多技术挑战。

在高速运算领域里，FPGA的功耗有绝对的优势，省却了散热器、处理器总线这些体系结构的限制，从而达到很高的I/O处理能力。此外，还有一个非常重要的因素就是软件与硬件的完美结合，用软件直接进行优化，这方面需要FPGA厂商的合作伙伴投入很大的工作量。

生态圈比以往更加重要

Bolsens先生特别强调了FPGA产业生态圈的重要性。对于现在的FPGA厂商来说，一个很大的挑战在于FPGA各种各样的创新应用越来越多，FPGA厂商自己都无暇顾及这些崭新的应用，此外，软硬件的协同设计，尤其是通过软件加强对终端市场的应用进行定制化设计，为崭新的应用提供解决方案，更需要多方合作伙伴的支持和合作。因此，为了能够更好地推动FPGA在更广泛市场的应用，建立一个FPGA产业的生态圈比以往都更加迫切和必要。

在中国市场上，赛灵思的思路主要有两方面。第一，赛灵思将对于能够帮助赛灵思建立产业链的合作伙伴进行投资，比如那些刚刚创办的公司，他们或者能够在FPGA基础上进行创新，或者能够使FPGA实现更简单的应用，它们对FPGA进入新的市场领域起着非常关键的作用。赛灵思正在积极寻求能够和该战略相联系的新兴初创公司，如果他们能够提供更好的有吸引力的商业模式，就会向他们投资。其二，建立更好的合作伙伴的生态系统关系，比如培训和教育，使那些从来没有用过赛灵思产品的工程师能发现其中的潜力并学会使用它。大学对推动和宣传FPGA是一个非常好的地方。赛灵思和许多国际知名大学已经进行了成功的合作。比如赛灵思在美国德州的Rice大学开发了一个通用的平台，并形成了一个很大的学术界社区，社区里提供开放源码的软件和参考设计，还提供各种各样设计。在包处理领域里，赛灵思在斯坦福大学支持做路由器开放源码的项目，很多学校都在该项目的基础上做各种各样的研究、教学和应用。这些项目汇集了美国50多个顶级大学参与研究。赛灵思同时也希望中国顶尖的大学能够参与进来。

去年年底，赛灵思在亚太区设置了一项7500万美元的技术基金，专门用于投资初创公司和大学的培训教育与合作项目。几个最大的投资焦点集中在监控、医疗、无线和网络安全等FPGA会获得很多机会的领域。赛灵思对于孵化基地和孵化中心这样类型的地方也有合作的兴趣，同时也在寻求和中国风险投资以及全球的风险投资在中国合作的机会。

"FPGA最终将成为嵌入式系统的心脏，而中国是FPGA技术潜力最大的市场，在中国建立FPGA产业的生态系统意义重大，势在必行。" Bolsens先生最后强调道。