FPGA将会在汽车市场中获得广泛应用

市场分析家预测2002～2008年整个可编程逻辑市场的规模将翻三番。尽管可编程逻辑市场的成长一直都是由通信和网络行业对高价值和大容量元件的需求所推动，但下一轮扩张动力将来源自不同的领域，即以价值为基础(value-based)的汽车和消费电子市场。

根据市场研究公司Gartner Dataquest预计，在2002～2008年，用于消费电子产品的FPGA将增长10倍，总体销售规模超过10亿美元。这个增长动力来源于多种产品，包括新的数字化高清广播设备、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子电视，以及广泛普及的家用DVR和DVD-W等。与此同时，在汽车市场方面，FPGA将越来越多地用于车载娱乐系统、车载GPS导航系统、汽车信息系统、通信和安全系统。

那么，在可编程逻辑应用模式改变的背后隐含的意义是什么呢？

传统上，FPGA一直被用于两种场合：一是小批量应用，即产量不足以达到全面转向ASIC所需的规模效益；二是用于构建设计原型，以便日后转向ASIC进行大规模生产。然而，近年来FPGA已经越来越多地用于各种产品当中，虽然增长的速度不是很快，但的确是在增长。部分原因是出于成本考虑：FPGA制造商发挥了新半导体工艺技术和制造效率的优势来降低单位成本；与此同时，不断增加的非经常性工程开支(NRE)却使到ASIC的整体成本不断提高。在50万件产量的规模下，ASIC的掩膜价格(目前一般以百万美元计算)已使到其最终产品的单位成本与FPGA产品相近，全球范围内的ASIC设计也在逐渐减少，如图1和图2所示。

图1 ASIC的掩模成本随工艺水平的提高而急剧升高

图2 全球范围内的ASIC设计逐渐减少

此外，传统的基于SRAM的FPGA的一些缺点经已得到解决。器件的门密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的问题，也无须增加外部元件，而这些正是以前的可编程逻辑器件的弱点所在。

设计人员已意识到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的优势。例如，使用FPGA的设计人员可以在设计完成后进行更改。事实上，已经投入使用的产品也可以进行升级。在产品开发周期压力越来越大的市场环境下，厂家都不愿意冒风险，因此FPGA是很理想的解决方案。

正是在这样的背景之下，作为ASIC替代品、以价值为基础的FPGA在市场上出现了，针对工程师的需求提供可满足今天不断缩短的开发周期和不断降低的成本的技术方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列产品就可提供系统内可编程功能、高性能可编程逻辑，以及超过一百万的系统门密度。或许更重要的是，这个FPGA系列的单位成本足以与ASIC器件(计入NRE费用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低价格只有1.5美元。

从表面上看，更快的产品开发周期和可重配置功能无疑会增加以FPGA的优势。然而，正如设计人员在计算ASIC产品的有效单位成本时必须考虑NRE一样，在转向采用FPGA时，设计人员也需要权衡对整体系统成本的影响。举例说，以SRAM技术为基础的FPGA往往需要额外的支持电路，而以价值为基础的FPGA亦然。每个基于SRAM的FPGA都需要启动PROM或微控制器来加载配置数据。为保障系统的可靠性，设计人员通常还要添加SRAM的电源欠压检测器件。而且，许多采用基于SRAM的FPGA的设计都需要上电即行的CPLD(复杂可编程逻辑器件)来管理系统的启动，尤其是在使用微控制器加载SRAM FPGA的情况下。

当采用最新的90nm半导体工艺制备的SRAM器件时可能还得付出别的代价，即需要满足严格的上电要求。有些以非挥发性技术为基础的器件也需要细致的电源上电时序；而且，如果SRAM FPGA的上电配置延迟会使器件内部的PLL/DLL电路不能适应这种重要的系统级任务，可能还需要外部时钟分配器件来处理系统时钟管理。总之，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持电路成本。因此，这个额外成本必须计入解决方案的真正整体成本中。SRAM系统的额外成本很容易便超过FPGA器件单位成本的一倍，而且还未考虑到软成本或可靠性、库存管理和设计复杂性等问题。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是单芯片的解决方案，具备固有的上电即行功能，不需要启动PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持与AISC类似的板卡设计，能以单电源(1.5V)工作，且能按预计及受控的方式上电和关电。由于功耗低，因此对电源的要求也较低。这点对于消费电子和汽车应用尤其重要，而且对提高系统可靠性和降低系统热管理成本也有很大作用。

除了具备价格、设计和功耗方面的优势外，FPGA在安全性和可靠性等方面也能与ASIC相媲美。基于Flash的设计一直被公认能够更好地抵御由中子轰击所致的固件和软件错误，这是高海拔应用环境常见的现象，但渐渐地也成为地面应用的一个普遍问题。

从系统安全的角度看，基于Flash的设计也可以提供更佳的保护，以免关键的IP受到盗窃。几乎无法对设计进行反向工程，当系统启动时，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之间的数据流被盗窃者拦截的可能性。

ProASIC3器件还配备1kb片上非挥发性Flash ROM，以及内置128位AES加密内核，以便FPGA内核阵列结构和FROM本身进行独立和安全的系统内编程。这样，设计人员就可实现多项安全功能。例如，在安全的可编程环境中预先加载AES主密钥到器件中，于是，用户可将未完成配置的空白部分送到没有安全防护的编程或制造中心中，再通过AES加密位流进行最终的个性化配置。

设计人员可利用这个功能执行产品的后期更改，这也是FPGA解决方案另一个独特之处。在类似的情况下，设计人员还可通过公共网络如Internet或卫星通信来进行安全的远程现场升级，在此过程中只需传送带AES加密数据的配置文件。这种方法尤其有助于由服务供应商根据订用服务模式提供的升级功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性对比见图3。

图3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性对比

由于采用90nm或65nm工艺的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA将越来越多地取代ASIC器件，不仅在产量需求低于50万的场合，而且还包括需要FPGA的独特优势的消费电子和汽车等市场。随着业界不断在缩短开发周期、降低风险、设计后期更改及产品现场可配置方面进行提升，基于Flash的FPGA很有可能成为各种不同应用领域的首选解决方案。市场分析家预测2002～2008年整个可编程逻辑市场的规模将翻三番。尽管可编程逻辑市场的成长一直都是由通信和网络行业对高价值和大容量元件的需求所推动，但下一轮扩张动力将来源自不同的领域，即以价值为基础(value-based)的汽车和消费电子市场。

根据市场研究公司Gartner Dataquest预计，在2002～2008年，用于消费电子产品的FPGA将增长10倍，总体销售规模超过10亿美元。这个增长动力来源于多种产品，包括新的数字化高清广播设备、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子电视，以及广泛普及的家用DVR和DVD-W等。与此同时，在汽车市场方面，FPGA将越来越多地用于车载娱乐系统、车载GPS导航系统、汽车信息系统、通信和安全系统。

那么，在可编程逻辑应用模式改变的背后隐含的意义是什么呢？

传统上，FPGA一直被用于两种场合：一是小批量应用，即产量不足以达到全面转向ASIC所需的规模效益；二是用于构建设计原型，以便日后转向ASIC进行大规模生产。然而，近年来FPGA已经越来越多地用于各种产品当中，虽然增长的速度不是很快，但的确是在增长。部分原因是出于成本考虑：FPGA制造商发挥了新半导体工艺技术和制造效率的优势来降低单位成本；与此同时，不断增加的非经常性工程开支(NRE)却使到ASIC的整体成本不断提高。在50万件产量的规模下，ASIC的掩膜价格(目前一般以百万美元计算)已使到其最终产品的单位成本与FPGA产品相近，全球范围内的ASIC设计也在逐渐减少，如图1和图2所示。


图1 ASIC的掩模成本随工艺水平的提高而急剧升高


图2 全球范围内的ASIC设计逐渐减少

此外，传统的基于SRAM的FPGA的一些缺点经已得到解决。器件的门密度大增，采用Flash又改善了安全性和可靠性方面的问题，也无须增加外部元件，而这些正是以前的可编程逻辑器件的弱点所在。

设计人员已意识到采用指定的FPGA比ASIC享有更正面的优势。例如，使用FPGA的设计人员可以在设计完成后进行更改。事实上，已经投入使用的产品也可以进行升级。在产品开发周期压力越来越大的市场环境下，厂家都不愿意冒风险，因此FPGA是很理想的解决方案。

正是在这样的背景之下，作为ASIC替代品、以价值为基础的FPGA在市场上出现了，针对工程师的需求提供可满足今天不断缩短的开发周期和不断降低的成本的技术方案。像Actel推出以的基于Flash的ProASIC3系列产品就可提供系统内可编程功能、高性能可编程逻辑，以及超过一百万的系统门密度。或许更重要的是，这个FPGA系列的单位成本足以与ASIC器件(计入NRE费用后)媲美。例如，ProASIC3器件的最低价格只有1.5美元。

从表面上看，更快的产品开发周期和可重配置功能无疑会增加以FPGA的优势。然而，正如设计人员在计算ASIC产品的有效单位成本时必须考虑NRE一样，在转向采用FPGA时，设计人员也需要权衡对整体系统成本的影响。举例说，以SRAM技术为基础的FPGA往往需要额外的支持电路，而以价值为基础的FPGA亦然。每个基于SRAM的FPGA都需要启动PROM或微控制器来加载配置数据。为保障系统的可靠性，设计人员通常还要添加SRAM的电源欠压检测器件。而且，许多采用基于SRAM的FPGA的设计都需要上电即行的CPLD(复杂可编程逻辑器件)来管理系统的启动，尤其是在使用微控制器加载SRAM FPGA的情况下。

当采用最新的90nm半导体工艺制备的SRAM器件时可能还得付出别的代价，即需要满足严格的上电要求。有些以非挥发性技术为基础的器件也需要细致的电源上电时序；而且，如果SRAM FPGA的上电配置延迟会使器件内部的PLL/DLL电路不能适应这种重要的系统级任务，可能还需要外部时钟分配器件来处理系统时钟管理。总之，采用SRAM FPGA可能需要3～20美元不等的支持电路成本。因此，这个额外成本必须计入解决方案的真正整体成本中。SRAM系统的额外成本很容易便超过FPGA器件单位成本的一倍，而且还未考虑到软成本或可靠性、库存管理和设计复杂性等问题。

相反，ASIC和基于Flash的FPGA是单芯片的解决方案，具备固有的上电即行功能，不需要启动PROM或微控制器。Actel的ProASIC3器件支持与AISC类似的板卡设计，能以单电源(1.5V)工作，且能按预计及受控的方式上电和关电。由于功耗低，因此对电源的要求也较低。这点对于消费电子和汽车应用尤其重要，而且对提高系统可靠性和降低系统热管理成本也有很大作用。

除了具备价格、设计和功耗方面的优势外，FPGA在安全性和可靠性等方面也能与ASIC相媲美。基于Flash的设计一直被公认能够更好地抵御由中子轰击所致的固件和软件错误，这是高海拔应用环境常见的现象，但渐渐地也成为地面应用的一个普遍问题。

从系统安全的角度看，基于Flash的设计也可以提供更佳的保护，以免关键的IP受到盗窃。几乎无法对设计进行反向工程，当系统启动时，由于不需要PROM，所以也不存在PROM和FPGA之间的数据流被盗窃者拦截的可能性。

ProASIC3器件还配备1kb片上非挥发性Flash ROM，以及内置128位AES加密内核，以便FPGA内核阵列结构和FROM本身进行独立和安全的系统内编程。这样，设计人员就可实现多项安全功能。例如，在安全的可编程环境中预先加载AES主密钥到器件中，于是，用户可将未完成配置的空白部分送到没有安全防护的编程或制造中心中，再通过AES加密位流进行最终的个性化配置。

设计人员可利用这个功能执行产品的后期更改，这也是FPGA解决方案另一个独特之处。在类似的情况下，设计人员还可通过公共网络如Internet或卫星通信来进行安全的远程现场升级，在此过程中只需传送带AES加密数据的配置文件。这种方法尤其有助于由服务供应商根据订用服务模式提供的升级功能。ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性对比见图3。


图3 ASIC、ProASIC3 FPGA和基于SRAM的FPGA的特性对比

由于采用90nm或65nm工艺的ASIC的掩模成本太高，基于Flash的FPGA将越来越多地取代ASIC器件，不仅在产量需求低于50万的场合，而且还包括需要FPGA的独特优势的消费电子和汽车等市场。随着业界不断在缩短开发周期、降低风险、设计后期更改及产品现场可配置方面进行提升，基于Flash的FPGA很有可能成为各种不同应用领域的首选解决方案。