FPGA：高性能低成本双管齐下拓展应用

FPGA(现场可编程门阵列)正以其性能和成本的平衡性、设计的灵活性在众多应用市场成就“自有”天地。随着市场需求的不断变化，FPGA主导厂商将“随需而变”的策略发挥到了极致，为FPGA在市场中的表现添上了浓墨重彩。日前Altera发布了其高性能65纳米FPGA产品Stratix III系列，Xilinx宣布推出第二个系列的65纳米VIRTEX-5 LXT FPGA，并在之后不久又推出低成本的I/O优化FPGA Spartan—3A平台，进一步向大规模应用市场渗透。折射出FPGA以高性能、低成本为“利器”，正加快向应用市场渗透。

　　高性能FPGA将成系统核心芯片

　　两大巨头对65纳米FPGA的“热衷”无疑是看好市场对高性能FPGA的需求。Altera公司产品和企业市场副总裁Danny Biran说：“随着系统复杂度提升与上市时间加快，高性能FPGA的发展趋势是将成为系统核心芯片，系统厂商对FPGA的要求也越来越严格，体现在功耗、性能、易用性和成本等四大方面。”他举例道，在基站体系中，诸如基带处理、控制逻辑等均可以应用FPGA，其应用比从前扩大了两至三倍。

　　他指出，对于65纳米FPGA来说，业界最关心的就是功耗问题，随着FPGA日益成为系统核心芯片，其功耗问题尤为重要。

　　Danny Biran表示，进入65纳米制程，功耗设计挑战在于：一是漏电严重，导致静态功耗提高；二是系统需求性能提高，芯片处理数据量加大，因而功耗相应提高。Altera通过四种途径，即芯片工艺优化、可编程功耗技术、可选内核电压和Quartus II 6.1软件PowerPlay优化，可大大降低功耗，同时达到高性能要求。可编程功耗技术针对设计中需要的地方提高性能，而把其他地方的功耗降到最低。可编程功耗技术支持每一个可编程逻辑阵列模块(LAB)、DSP模块和存储器模块在高速或者低功耗模式下独立工作，从而实现了高性能和低功耗的最优化。可选内核电压使设计人员可根据最大性能需求选择1.1V设计，或者根据低功耗要求选择0.9V设计。Altera开发的Quartus II 6.1软件的PowerPlay功能可对设计自动进行分析，确定哪些模块位于关键通路上，并把这些模块设置为高速模式，所有其他逻辑自动进入低功耗模式。

　　因而在性能提升方面，Stratix III比前一代器件快25%，密度是前一代FPGA的两倍，功耗降低了50%，支持40多个I/O接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性。

　　Xilinx(赛灵思)的65纳米Virtex-5系列基于领先的ExpressFabric新技术、成熟的ASMBL架构以及低功耗三栅极氧化层技术，与前一代90纳米FPGA相比，Virtex-5 LXT平台的整体性能平均提高30%，容量提高65%，动态功耗降低35%。

　　优化平台满足不同应用需求

　　为满足不同领域应用,提供灵活的平台方案成为选择。为大范围高端应用，Altera提供三种新的Stratix III系列型号：第一种在逻辑、存储器和DSP资源上达到均衡，适合一般应用；第二种增强了存储器和DSP资源，适合存储器和DSP比较密集的应用；第三种集成了收发器，适合宽带接口应用。Stratix III器件系列第一种型号的工程样片将于2007年第三季度供货。

　　Xilinx(赛灵思)的65纳米Virtex-5系列包括面向高速逻辑、串行连接性、数字信号处理(DSP)和嵌入式处理应用四种领域优化的平台，分别是Virtex-5 LX、Virtex-5 LXT、Virtex-5 SXT和Virtex-5 FXT。

　　Virtex-5 LXT平台提供了业界第一个内建PCI Express端点模块和三重模式以太网媒体访问控制器(MAC)模块的FPGA，可帮助设计人员节约时间、降低系统功耗。赛灵思可编程系统全球市场总监Per Holmberg表示，未来5年在电信和网络中，高速串行将成为主流，LXT平台针对的是从100 Mbps至3.2 Gbps的大量串行连接应用。此款LXT平台以硬核方式实现PCI Express和Gigabit Ethernet两种标准，其他标准则以软件IP内核实现。Per Holmberg指出，在存在多种标准的串行接口市场上，PCI Express和千兆以太网在FPGA所服务的市场中已开始成为领先的接口标准，到2009年时将有望占到所有端口发货数量的80%以上。通过以硬核方式支持这两种最通用的接口，可以大幅减少成本、功耗和用户的设计工作。目前针对Virtex-5 LXT平台的设计软件支持已开始提供，Virtex-5 LXT工程样品现已可提供。

　　两大FPGA巨头在65纳米技术可谓争先恐后，不逞人让。Xilinx一再强调，Xilinx的65纳米FPGA目前就可以供货。而Altera则着重其策略不是要第一个推出产品，而是能够最先量产，而且Altera保持产品首发成功的记录。有业内人土指出，目前90纳米FPGA产品已能满足客户需求，而65纳米FPGA产品在设计初期，在成本及配套开发工具方面还不具成熟推广条件，预计2008年才会大规模量产。或许他们在65纳米FPGA的“迸发”意在向业界传递一种姿态，即在FPGA技术前端领域保持前瞻性，以期在未来的市场版图中先声夺人。

　　低成本FPGA拓宽市场

　　FPGA除在高性能领域持续拓展之外，另一个显著的变化就是在新兴应用市场以“量身定做”来形成“席卷”之势。赛灵思近日推出为需要大量I/O门、低功耗和防克隆安全功能的应用推出成本优化的FPGA Spartan—3A，进一步向大规模应用市场渗透。

　　除在传统的应用领域通信和网络、存储和服务器、工业及其他全力推进外，近两年兴起的消费和汽车电子市场成为FPGA新的用武之地。赛灵思公司全球市场营销副总裁Sandeep Vij表示，在各个应用领域，不仅需要语音和数据，还包括视频的处理，包括便携式消费电子产品、汽车电子设备及家庭网络中的机顶盒、平板显示器等，以及在工厂及其他应用领域中的自动化、办公网络、视频合成等应用，这使FPGA有了一个新的应用平台，对FPGA也提出了新的要求。

　　这些应用的第一大挑战是系统成本，并且一些应用对逻辑需求高，而对I/O数量需求量少，另一些应用对I/O数量需求多，对逻辑需求少，赛灵思可根据这些需求来减少I/O和门，从而降低系统成本。Spartan产品线有三类产品Spartan—3A、Spartan—3和Spartan—3E，3E是逻辑优化平台，3A是I/O优化平台，3平台则针对最高密度和引脚数的应用，从而为客户提供了丰富的解决方案，更加贴切地满足客户的需求。

　　除成本之外，其他挑战还在于变化多端的需求(如不同的接口标准)、功耗、设计裕量和防克隆安全需求。赛灵思公司通用产品部营销与应用高级总监Christophe Chene介绍，3A平台的优势在于具有广泛的多达26种的I/O标准支持，灵活的电源管理模式可进一步降低功耗，器件DNA安全功能能够防克隆。

　　三类产品以“定制化”贴合细分市场需求，Spartan产品线获得了“满堂彩”。自Spartan产品线启动以来，已经出货了2亿个器件，销售收入达18亿美元，占90纳米制程产品市场的70%。Spartan产品线已经占到赛灵思公司总收入的26%，低成本FPGA风头正劲。

　　Christophe Chene最后还指出，除了I/O数量外，未来有越来越多的新应用比较强调嵌入式控制能力，我们会考虑在将来FPGA产品当中体现更多优化嵌入式处理能力。

　　未来我们将会看到越来越差异化的革新FPGA，在特定应用领域崭露头角。