FPGA的技术市场特点

摘要：本文通过对FPGA行业主要的市场调查公司、供应商和第三方合作伙伴的访问。力图揭示PPGA近期的市场特点及发展态势。

关键词：FPGA；Xilinx；Altera；Acrel；Lattice；Altium；Garmer

随着FPGA硬件成本的大幅降低，以及平台化和生态系统的逐渐完善，FPGA正在电子设计中扮演越来越重要的位置。

FPGA近期市场特点

Gartner公司主要负责半导体预测和FPGA的副总裁兼首席分析师Bryan Lewis在接受《电子产品世界》编辑采访时认为，最近FPGA市场有这样几个显著特点：(1)2009年2和3季度，FPGA失去了在PC和移动电话市场的发展；(2)军事和无线基站成了2009年FPGA最好的市场；(3)2009年FPGA市场有小幅的下降(如图1)，但是之后会持续稳固地增长。

在中国市场，FPGA主要大量地应用于强劲增长的军事和通信市场(图2)。

Bryan一针见血地指出了FPGA／CPLD供应商的主要机会：低功耗FPGA一便携式消费电子中低功耗仍然是件大事；替代ASIC方面，主要在工业和汽车领域开展：在替代MCU方面，主要是在汽车领域展开，价格很重要：低成本将在很长一段时间努力后实现，但是FPGA的利润空间将是FPGA厂商关注的：Xilin给外界的印象是在走SoC平台路线。

FPGA技术市场趋势

首先，可编程势在必行。

FPGA已经被应用于系统的核心。无论是用于完成关键功能还是直接作为系统核心，今天的FPGA所提供的性能、功耗和容量，都已经达到甚至超过此前ASIC或ASSP的水平。

“FPGA平台渐成系统核心的发展趋势受到几大因素的影响，”赛灵思(Xilinx)公司亚太区市场及应用总监张宇清分析道，“包括设计领域不断增长的ASIC开发成本，对系统复杂性和高性能的要求，不断缩短的产品生命周期和上市时间，变化莫测的标准／协议，以及产品平台最小化带来的成本优化，对产品差异化设计的需求，晶圆代工策略等。最后但同样重要的还有FPGA开发中的Ip的创新。越来越多的大批量产品通过FPGA设计生产出来，使得FPGA的概念完全跳出了以前的胶粘逻辑或原型设计应用的概念。我们相信，除了特大批量应用(如手机等)，FPGAE经成为大部分应用市场的最佳选择。”

摩尔定律的持续有效使芯片密度和性能持续提升，同时也在开发和生产复杂性方面带来巨大挑战。赛灵思和业界人士普遍认为在发展传统ASIC和ASSP的同时，下一代系统设计中将越来越多地采用FPGA。同时，根据Gartner的预计：2008年新开工设计中，采用FPGA的设计与采用ASIC的设计比率为25：1，更进一步显示出在可预见的未来，可编程成为设计的必需。

爱特公司(Actel)亚太区总经理赖炫州分析了ASIC／ASSP业务模式的困境：安装复杂性高、成本高：300mm晶圆厂成本飙升，45nm工艺节点要花费40亿美元(如图4)，32nm工业节点花费80亿美元；全球市场不断变化，给ASIC／ASSP模式带来压力，每项设计成本为5000万～1亿美元，只有少数10亿美元市场能够支持投资回报率(ROI)；风险投资正在缩减。

客户多样化

2000年以前，FPGA／PLD公司非常看重高增长的通信市场。2000年后的网络泡沫破灭后，FPGA开始转向了工业和消费市场。据赛灵思张宇清介绍，该公司正努力实现客户基础多样化，现在通信行业占营业收入的比例不到其50％，另一半则分布于更广泛的终端市场上。目前，在通信市场之外，赛灵思面向的具体产品线包括汽车、消费电子、ISM(工业、科学及医疗设备)、航空和国防等应用领域。其中汽车领域包括驾驶辅助、车载信息和信息娱乐应用，消费电子领域包括数字显示器、数码摄像机和机顶盒，ISM领域包括工业成像(含监控)、工业指令与控制(机器视觉、电机／运动控制)和医学，航空和国防领域包括航空电子、飞机、雷达、声纳和指令、控制、通信、计算机、智能、监控以及侦察系统等领域。

平台化战略

张宇清认为，要满足对可编程能力迫在眉睫的需求，以及市场更加分散，需要从两方面做工作：首先是通过可编程硬件创新在FPGA关键性能指标的每个方面(价格、功率、性能、密度、功能以及可编程能力)提供业界领先的价值；其次是为电子系统设计人员提供所需要的工具、设计方法和IP，从而使FPGA能真正帮助他们实现产品快速上市和提供灵活性这些承诺。

为了帮助客户更多地采用FPGA，FPGA供应商提供一个全面的设计环境至关重要，因此赛灵思2009年提出了TDP(目标设计平台)概念80％的工作留给Xilinx及第三方合作伙伴完成，客户只需做2096的自主创新工作，这样不仅使产品实现了创新，同时加速了产品推向市场。

独立的第三方FPGA工具供应商也同样认为FpGA正在向平台化转变。“设计人员思考和实现FPGA器件的方式的重大转变是：除了将FPGA视为电子硬件的固定部分的方便容器，设计人员现在还可以将FPGA用作其设计的灵活核心，”Altium公司亚太区技术支持与应用总监David Read说，“通过运用FPGA可编程能力，整个SoC系统(包括微处理器、内存及外设器件)可以得到快速开发和上市。这意味着有更多的设计师能够将更多精力用在有助于实现产品差异化的方面，以及处于产品核心的智能性。”

但是，从FPGA使用者角度考虑，FPGA方案设计完成后，由于FPGA供货问题，有时不能立即拿到某些FPGA批量产品；或者发现另外一家FPGA企业的产品价格更低或性能更合适，但想转换到另外一家企业的产品就有困难，通常从FPGA硬件到开发板、软件环境都要全面更换。为了解决这个问题，不供应FPGA芯片的独立的第三方开发板供应商的优势就显现了，例如Altium NanoBoard 2系列开发板及Altium Designer设计工具，可使工程师快速开发和PCB布线，自由地采购FPGA厂家的芯片。

但是，NanoBoard 2的成本又上去了，需要上万元人民币。因此，Altium NanoBoard 3000应运而生，其特点尽管又是针对某公司某款FPGA，但是价格只有4000元人民币以下。另一个突出特点是设计人员可在事前不具备任何FPGA专业技术的情况下，在FPGA内部构建基于“软”处理器的优异系统。

David总结道，设计师们正在寻 找新的方法来减少FPGA开发方案固有的复杂性以及对专业技能的要求。目前的发展方向是高层FPGA开发系架构的知识要求。该方案也使FPGA设计向许多新的主流设计师打开了大门，包括传统的硬件工程师、软件开发人员以及新一代系统设计师。

高、中密度FPGA值得关注

“FPGA正不断追求生产更大、更快(因此要求功率更高)，”Lattice(莱迪斯)半导体公司副总裁Douglas Hunter认为FPGA高密度和中密度正在全面发展。这表现在：(1)FPGA产品继续主导着高端设备的发展――自FPGA开始出现实际上就一直是这种情况。今天，这种趋势则侧重于寻求不同的方法来构建这些较大的设备。(2)但对低端产品而言，继续强调低功率和低成本设备的开发。但是，在许多情况下，这些产品几乎等同于已去除了大多数性能和特点的高端设备。遗憾的是，对此类设备的价值主张总是“花得少，得到的就少”。(3)行业发展中最令人感兴趣的是中等密度(10k-200kLUT)FPGA产品的出现。这些设备在提供许多高端产品特征的同时，还保持了低功耗、低成本的特点。Lattice半导体公司的方法是开发使客户花钱更少的中等密度设备。但这并不意味着要牺牲其应用所需要的性能和特点。例如，LatticeECP3中等密度FPGA系列产品的特点是：逻辑密度为17k～149kLUT：16个3.2Gbps SERDESJm道：数据速率范围为250Mbit／s～3.2Gbit／s，以及最大存储量可达6.8M位的嵌入式RAM存储块。但是，ECP3的成本和消耗的功率都只是高端FPGA产品的一半。

追求更低功耗

各家公司都把低功耗作为产品的研发方向。Altera和Xilinx两家FPGA巨擎，都在向40／45nm进军，在密度增长、成本降低的同时，也可以大幅降低功耗。另外值得一提的是：有特色的是中型FPGA公司――Actel，2008年在FPGA业界平均增长不到596的情况下，该公司增长了11％，是唯一双位数增长的FPGA供应商。Actel的两个战略之一就是专注于开发基于快闪技术的FPGA器件(男一个战略是正在创建全新的混合信号FpGA市场，瞄准基于微控制器的应用和嵌入式设计。)。而这些快闪FPGA所提供的低功耗、高可靠性和高安全性优点，都是SRAM FpGA所难以比拟的。

注重安全性

随着FPGA的单价大幅度降低。功能却在大幅地提升，所以有很多的功能已经集合到FPGA里面，包括存储器、IP等，因此防止IP剽窃和篡改也成为一个不容忽视的问题。Altera今年6月上市的Cyclone III Ls FPGA不仅在单位面积电路板上具有密度较大的逻辑、存储器和DSP资源。功耗很低，而且保密性也可圈可点。

据Altera亚太区产品市场经理张洵瑜介绍，Cyclone III Ls的安全特性包括全面的信息安全保障设计包，支持防篡改、设计安全和设计分离功能。为保护非常敏感的信息，Cyclone III Ls PPGA的防篡改特性包括TTAG端口保护、篡改监视和循环冗余校验(CRC)等功能。这些器件还提供其他层面的保护，包括用于实现设计安全功能的成熟可靠的工业标准AES 256位密钥等。在对体积、重量和功耗要求较高的应用中，CycloneⅢLs FPGA的设计分离特性将逻辑、走线和I／o块分开，在一个芯片中实现了非常可靠的安全保障和工业安全应用。

Cyclone Ⅲ LS FPGA适合工业应用，特别是运动控制、工业以太网和工业安全等。设计分离特性还降低了安全应用的系统功耗，提高了集成度，同时支持设计冗余功能。

FPGA企业的竞争法宝与战略

Xllinx：创新和以客户为中心，是赛灵思公司制胜的法宝。FPGA就是赛灵思共同创始人之一Ross Freeman发明的。

赛灵思公司提供基于新一代40nm高性能Virtex-6。以及行业唯一45mm大批量应用Spartant-6产品系列解决方案，通过其目标设计平台战略，以大范围的领域优化支持架构、大型的IP库和生态合作伙伴系统。以及高质量的产品和解决方案。

Lanlce：主要赢在了三个优势上：设计、方便和创新。在设计上，Lattice针对特定的目标进行产品设计，以满足客户的特定需要。例如，与许多具有竞争力的设备不同，这些设备仅仅是更高端产品的衍生产品。ECP3系列产品在设计上则采用了可变的通道长度、优化的功率晶体管以及经过改进的布线缺省值和算法，以满足市场对一方面具有高端性能的需求，另一方面又满足成本低、功耗小的FPGA产品的特定需求。

Actel：定位为成为业界功耗最低的快闪FPGA供应商，唯一提供混合信号的FPGA供应商。Actel在低功耗尤其是静态功耗方面，主要优势采用了快闪FPGA技术路线：而其他主要厂商产品是SRAM FPGA。快闪FPGA具有固有的低功耗特性，因为典型的SRAM单元需要6个晶体管时，快闪单元只需要1个晶体管。因此，可以看到Actel产品的晶体管数目较少(密度较低)，虽制程没有转到非常先进之上，但也实现了超低功耗，十分适合便携式产品应用。

Actel Fusion器件是混合信号FPGA，它基于快闪技术的FPGA；可选ARM Cortex-M1嵌入式处理器核：拥有先进的时钟性能：混合信号可配置模拟功能，诸如高精度A／D、监控温度、电压和电流、模拟I／O。

AItora：Altera是第一家推出40nm工艺FPGA公司。在Ahera 2009亚太技术巡展上，展示的产品包括Stratix IV FPGA、HardCopy IV ASIC、Arria Ⅱ GX FPGA、CycloneⅢ FPGA、Quartus Ⅱ开发软件、IP以及解决方案，介绍他们如何克服当今高端数字系统设计挑战，以及Altera的数字信号处理(DsP)和嵌入式设计方案。

AItiiim：Altium选择从头开始开发一种先进的电子产品设计解决方案Altium Designer，该方案将硬件设计、可编程硬件设计与软件开发整合进了一个单一的应用及设计环境。该开发系统与独立于目标FPGA类型及供应商的大型现成IP数据库(免专利权使用费)相捆绑，该数据库提供了设计师快速开发先进设计所需的所有主要要素。为完善电子产品开发周期，Altium还提供了一个低成本的智能FPGA硬件开发板――NanoBoard板，它可以与Altium的设计软件进行沟通和协作。该开发板具有插件式外设硬件接口板并支持FPGA器件供应商选择，它与设计软件一起为克服基于FPGA设计(将会成为未来的智能及高度互连的电子产品)的开发、原型设计和部署所面临的挑战提供了一种独特的解决方案。

小知识

可编程逻辑器件的历程

王　莹

可编程逻辑器件(PLD)起源于上世纪80年代(如图1)，Signetics，Raytheon，GE，National Semiconductor、AMI和MMI公司是最早推出PLD的企业。但是。直到1984～1985年，当今对FPGA(现场可编程门阵列)影响最大的四家PLD企――Altera、Actel、Xilinx和Lattice纷纷诞生，它们的共同特点是：是PLD芯片的专业供应商，是新型的Fabless(无半导体生产线公司)。一开始CPLD(复杂可编程逻辑器件)十分盛行，上世纪90年代左右，FPGA开始后来居上，目前CPLD以低功耗只在便携式产品和较低密度的PLD领域使用。

FPGA最开始用于胶粘逻辑(如图2)，是各种ASIc和ASSP等芯片之间的桥梁，或者用于样机／原型机设计，被业界划分为ASIC／PLD类。现在随着FPGA密度的高度增加，内部可集成各种IP和存储器，成本在不断下降，因此从一块辅助芯片逐渐跃居为系统的主要芯片(如图3)，并且把发展目标定位于取代ASIC和ASSP。