FPGA或将成为电子系统制造商救命利器

更广泛的FPGA应用模式

最近由电子系统设计（EE Times）杂志的 Piper Jaffray以及Kirtland 空军 基 地 FPGA任务保证中心（FPGA Mission Assurance Center）进行的最新研究证实了业界人士的直觉判断： 门阵列、结构化ASIC和基于单元的ASIC产品应用已经进入停滞期，而在所有类别中FPGA替代这些产品的情况都很普遍。 门阵列产品的趋势特别明显，65%的受调查者认为门阵列的使用将保持稳定，而12.8%的人则认为会大大减少。与此相比，72%以上的人认为FPGA的使用将大幅增加，仅有27%的人认为将会保持稳定。 没有人认为FPGA的使用会减少。

过去几年时间里，赛灵思已经从全球市场发展过程中感受到了这一趋势，公司在工业、消费以及汽车等市场的营收均有大幅增长。 同时，FPGA在中国和欧洲被更广泛地应用于下一代无线通信系统之中。2006年开始推出的Virtex-5 FPGA系列正在成为赛灵思公司销售额最大的Virtex系列。

系统设计人员，无论是从事消费产品还是工业控制领域的应用设计，都报告说正在考虑将FPGA用于多种应用之中。这部分是由于开发和生产专用IC的成本不断飙升。 现在，FPGA已经从最初主要应用于原型设计逐渐延伸到最终产品的整个生命周期。 对于专用IC开发来说，其成本回收需要销售大量的器件才可接受。 不然，相对较高的单件成本， FPGA器件与专用IC之间的成本差异就不是那么重要了。

随着FPGA被应用于新的基带无线和图像处理系统，使用FPGA的工程师 群 体 也在扩大。 20世纪90年代，FPGA的用户 群 体 几乎主要由硬件设计师构成。 今天，丰富的IP内核和用户友好的EDA工具使得系统集 成 人 员、DSP开发人员，甚至嵌入式软件工程师采用FPGA进行创新变得更为容易。 在FPGA用户方面，Piper-Jaffray的研究表明73%的用户在从事嵌入式设计。调查过程中74%的人在其从事的项目中采用了嵌入式处理器。硬内核处理器，特别是Power 架构的嵌入式处理器，处于领先地位。同时赛灵思Microblaze 处理器这样的可综合软内核处理器也在快速发展。

没有哪个领域能够比航空航天和国防领域使用可编程逻辑更为广泛了。 军用合同商中转向FPGA解决方案的速度如此之快，数量如此之多，以致于空军研究实验室（Air Force Research Labs）在新墨西哥的Kirtland空军 基 地 专门新成立了FPGA任务保证中心（FPGA Mission Assurance Center ）。 推动主承包商和分承包商们采用FPGA的因素包括：更大成本竞争力、军用航空航天系统标准的不断演化以及安全、空间通信和航空电子学对可重新编程能力的需要。 尽管Piper-Jaffray调查中回答明年将会雇佣更多FPGA设计人员的比例达到42%，但航空航天和国防行业的这一数字却达到了48%。

可编程技术势在必行

在2001年的经济低迷时期，产品开发的趋势就很普遍。如今的2008-2009年，面对经济和商业形势的双重危机，这种趋势更加变得势不可挡。 2009年每家企业最熟悉的口头禅就是 “少花钱多办事”，这意味着员工数量减少、预算紧张、市场窗口缩小以及产品生命周期更短。 同时，企业首席财务官（CFO）更强调降低风险。这也意味着企业在财务上更为保守，必须更为小心地限制在新市场中的投资。 此外，要求新产品开发人员还必须要不断增加亮点，例如新产品，即使是功能更丰富了，也必须在成本和功耗方面展示出更多优势。 面对更强烈的产品差异化需求和更为紧张的预算，设计人员看起来真有点无所适从。

现在，转向可编程解决方案的时机已经成熟。 在FPGA行业的早期，可编程逻辑主要用于系统外围，做为I/O系统或第二层控制子系统的胶合连接逻辑。 今天，FPGA已经应用于系统的核心。 当FPGA被用于中心控制或数字信号处理（DSP）任务时，所有的系统差异都可在FPGA内实现。 即使是FPGA仅仅作为标准CPU或DSP的配角时，产品设计的许多亮点可能也是通过FPGA实现的，因为FPGA能够大幅提升性能和功能。 无论是在哪种情况下，FPGA的角色都在改变系统中IC设计的方式。

在当前企业普遍面临财务困难的时候，转向FPGA在财政上的可行性更大。 现在的工程预算很难平衡传统专用IC设计流程不断增长的沉没工程（NRE）成本。 FPGA提供了比任何专用IC设计方式更低的设计成本。

事实上，当赛灵思CEO Moshe Gavrielov说到“可编程技术势在必行”（the programmable imperative）的时候，他实际的含义是指当前的形势几乎强制要求从传统ASIC转移到可编程解决方案。 对于传统门阵列和基于单元的ASIC来说，随着每个工艺节点的演进，其NRE成本都飞速增长。 例如，从90nm 发展到 65nm 工艺，传统ASIC设计的前期成本大幅提高。 行业研究企业iSuppli 报告说传统ASIC营收在整体逻辑IC营收中的比例从2000年的32%下降到了2008年的20%。 在当前的金融形势下，甚至ASSP的开发商也面临巨大的压力，特别是当特定器件所针对的终端市场也形势不妙的情况下更是如此。

当然，传统ASIC并不会明天就消失。 ASIC面向的是产量极高的稳定产品。 然而，单靠最终产品数量的增长，即使是批量达到数万甚至数百万，也无法负担ASIC掩膜成本。从90nm到32nm，ASIC掩膜成本从约100万美元飙升到了约1200万美元。 对于EDA工具供应商来说，为了跟上工艺技术的发展需要投入更多研发资源，因此服务于专用架构的EDA工具价格也上升很快。 另一方面，现在的FPGA使得系统设计企业或部门能够不必直接负担IC开发的成本就可以充分利用先进的工艺技术所带来的优点。