28納米讓FPGA如虎添翼 FPGA從配角變主角

從28納米到3D堆疊，FPGA身價(jià)突然翻漲，不再是過(guò)去那個(gè)扮演配角的被支配角色，反而由于其功能大躍進(jìn)、重要性大增，目前在許多應(yīng)用中，已經(jīng)逐漸成為支配系統(tǒng)運(yùn)作的主角。而現(xiàn)階段FPGA的三大發(fā)展方向：28納米、3D堆疊，以及SoC系統(tǒng)化，也成為FPGA制霸市場(chǎng)的決勝關(guān)鍵。

FPGA從配角變主角

FPGA市場(chǎng)對(duì)于28納米的爭(zhēng)霸，已經(jīng)從幾年前的藍(lán)圖布局，到產(chǎn)品試制，到目前已正式量產(chǎn)，也宣告FPGA真正走入了28納米制程的新階段。主要廠商包括Altera、Xilinx、Lattice等，紛紛端出28納米FPGA大餐喂飽市場(chǎng)那張饑渴的大嘴。28納米與FPGA劃上等號(hào)，只要擁有28納米產(chǎn)品，就象征了該廠家所擁有的技術(shù)實(shí)力與研發(fā)創(chuàng)新，而端不出這道菜，似乎在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，就少了能抓住客戶胃口，以及能與對(duì)手抗衡的利器。

先來(lái)看看28納米制程的FPGA到底好在哪里里，重要性又是什么。FPGA走入28納米制程之后，不僅功能與整合度能超越傳統(tǒng)FPGA，最重要的是，產(chǎn)品性價(jià)比也進(jìn)一步逼近ASSP與ASIC。這意義在于，過(guò)去FPGA在系統(tǒng)中的定位，主要是協(xié)助ASIC、ASSP等核心處理器來(lái)處理數(shù)據(jù)、提供I/O擴(kuò)充等功能，其定位是『配角』;但走入28納米制程之后，F(xiàn)PGA可突破以往功耗過(guò)高的問(wèn)題，成為高性能、低功耗以及小尺寸的代名詞。

再加上FPGA業(yè)者不斷提升IP及開(kāi)發(fā)工具的支持能力，使FPGA在系統(tǒng)中的角色越來(lái)越重要，近年來(lái)更直接從配角，升等為『主角』，例如近來(lái)時(shí)常聽(tīng)到的SoC FPGA就是一個(gè)例子，F(xiàn)PGA就是完整系統(tǒng)，這也讓FPGA將取代ASIC與ASSP成為一個(gè)熱門話題，并持續(xù)在市場(chǎng)上發(fā)酵。

事實(shí)上，由于電路結(jié)構(gòu)較為單純，F(xiàn)PGA一直都是率先采用先進(jìn)制程的半導(dǎo)體元件，這也就是FPGA一直能有制程技術(shù)突破的主因。而采用更新的制程技術(shù)，也讓FPGA的功能不斷強(qiáng)化。回顧FPGA從1990年代取代膠合邏輯（Glue Logic）元件、2000年代試圖取代ASIC、DSP等元件，到現(xiàn)在2010年代，正式跨入28納米世代，其高度整合性讓FPGA一舉跨越既有的微處理器市場(chǎng)，將觸角伸入到高效能運(yùn)算、儲(chǔ)存、汽車、工業(yè)控制等更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

28納米讓FPGA如虎添翼

依據(jù)市調(diào)公司的研究數(shù)據(jù)來(lái)看，ASIC的確受到FPGA的沈重壓力。Gartner分析，受全球金融風(fēng)暴影響，2009年起FPGA取代ASIC的趨勢(shì)更為明顯，兩者采用比重已經(jīng)達(dá)到30：1。由于成本因素，許多公司紛紛延后甚至取消ASIC的設(shè)計(jì)案。

由于FPGA提供了成本優(yōu)勢(shì)，加上不斷在制程與功能上精進(jìn)，讓開(kāi)發(fā)者更樂(lè)于采用FPGA。傳統(tǒng)的FPGA優(yōu)勢(shì)不外乎可編程、快速上市與低開(kāi)發(fā)成本，這對(duì)于沒(méi)有高量產(chǎn)需求且產(chǎn)品規(guī)格特殊的應(yīng)用市場(chǎng)相當(dāng)受歡迎，讓業(yè)者免去開(kāi)發(fā)ASIC的高成本，同時(shí)提供ASSP所缺少的差異化。這讓包括軍事、工業(yè)和網(wǎng)通等產(chǎn)業(yè)，成為FPGA的主力市場(chǎng)。

但過(guò)去FPGA因耗電與成本過(guò)高，難以打入功耗敏感與成本敏感兩大敏感市場(chǎng)，無(wú)法大量生產(chǎn)。但隨著制程不斷升級(jí)，加上業(yè)者推出低價(jià)化和超低功耗產(chǎn)品后，讓FPGA擺脫瓶頸，直闖高量產(chǎn)市場(chǎng)。

只不過(guò)，這意味著ASIC被宣判死刑，而FPGA從此可以躺著賺嗎？倒也未必。盡管FPGA在功耗方面有所進(jìn)步，但比起ASIC仍嫌不足，特別是在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)電源管理、及漏電等問(wèn)題。此外，在高量產(chǎn)市場(chǎng)，短期內(nèi)FPGA仍難敵ASIC既有的成本優(yōu)勢(shì)。

專家就曾表示，ASIC的開(kāi)發(fā)成本并不如外界所想的高，加上晶圓技術(shù)不斷進(jìn)步，目前芯片設(shè)計(jì)成本已越來(lái)越低。且系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，也不單只是成本考量，性能優(yōu)化、使用體驗(yàn)與商業(yè)模式等，也都是關(guān)鍵。ASIC雖后有FPGA追趕，但成長(zhǎng)動(dòng)能并沒(méi)有消失。

因此，從28納米開(kāi)始的FPGA趨勢(shì)，應(yīng)該說(shuō)，28納米FPGA把晶體管密度增加，更提升了電耗控制與設(shè)計(jì)彈性，此對(duì)ASIC和ASSP的威脅將更大，然而說(shuō)會(huì)從此取代ASIC仍言之過(guò)早，畢竟28納米FPGA是否真能對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生決定性影響，還有待時(shí)間觀察。而這段時(shí)間，ASIC也將持續(xù)精進(jìn)。因此這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)并非結(jié)束，其實(shí)反倒可以期待一場(chǎng)新局面的開(kāi)始。

3D堆疊打造異質(zhì)系統(tǒng)

3D IC技術(shù)在市場(chǎng)上醞釀已久，卻遲遲停留在只聞樓梯響，不見(jiàn)人下來(lái)的階段。然而，3D堆疊架構(gòu)對(duì)于芯片間的異質(zhì)性整合，其實(shí)扮演著十分重要的角色，特別是極力打造SoC芯片的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)商們。而3D堆疊的芯片整合方式，將在FPGA上率先實(shí)現(xiàn)。

目前FPGA大廠Xilinx在其高階元件上，已經(jīng)開(kāi)始采用3D堆疊架構(gòu)，這也是全球首款異質(zhì)的3D FPGA芯片，主要技術(shù)基礎(chǔ)是透過(guò)SSI（堆疊芯片互聯(lián)），將 FPGA與收發(fā)器進(jìn)行整合，這同時(shí)也是一種創(chuàng)新。Xilinx未來(lái)更多的FPGA產(chǎn)品，包括最新的ZYNQ平臺(tái)，都會(huì)采用3D堆疊的方式來(lái)設(shè)計(jì)。

Xilinx指出，盡管一般人認(rèn)為3D堆疊的方式會(huì)增加封裝方面的成本，然而就良率的角度來(lái)看，同樣面積的芯片上，有相同數(shù)量的邏輯閘，若采用單一塊芯片，對(duì)比切割成更小的區(qū)塊，透過(guò)立體堆疊方式制作的3D芯片，則采用3D堆疊的方式，將會(huì)有更高的良率。

主要的原因在于，芯片上邏輯閘的數(shù)量越多，芯片的良率相對(duì)將會(huì)較難提高。以同樣面積的芯片來(lái)看，若將芯片切割成更小單位芯片，每單位的邏輯閘數(shù)目相對(duì)減少，更可以提高每個(gè)單位芯片的良率。將這些良率更高的芯片，透過(guò)3D堆疊的方式整合在一起，堆疊后邏輯閘的數(shù)量是一樣的，也就是運(yùn)算效能相同。而由于每單位芯片邏輯閘數(shù)目更少，生產(chǎn)過(guò)程良率高，無(wú)形中成本將會(huì)更為降低。

此外，Altera亞太區(qū)工業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理江允貴也認(rèn)為，采用3D堆疊，還有更多好處。透過(guò)平面的線路傳輸訊號(hào)，會(huì)花費(fèi)更久的時(shí)間。如果采用垂直方式來(lái)傳遞訊號(hào)，速度將會(huì)更快。3D堆疊主要是讓單位芯片面積更小化，再采用堆疊方式來(lái)提高邏輯閘密度。透過(guò)垂直的金屬互聯(lián)層傳遞訊號(hào)，等于面對(duì)面這樣的迅速，這對(duì)于FPGA的處理效能將會(huì)大大的提升。3D堆疊將非常適合低密度、多IO、小包裝的FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3D堆疊，無(wú)疑將成為FPGA未來(lái)征服市場(chǎng)的一大利器。特別是未來(lái)FPGA將朝向SoC方向發(fā)展，透過(guò)3D立體堆疊，讓FPGA的整合之路將更為順?biāo)臁?/p>