FPGA最新发展趋势观察
2008-04-08
作者：网络资源
面对掩膜" title="掩膜">掩膜制造成本呈倍数攀升，过去许多中、小用量的芯片无法用先进的工艺来生产，对此不是持续使用旧工艺来生产，就是必须改用FPGA芯片来生产……
就在开云棋牌官网在线客服大厂持续高呼摩尔定律" title="摩尔定律">摩尔定律(Moore’s Law)依然有效、适用时，其实背后有着不为人知的事实！理论上每18至24个月能在相同的单位面积内多挤入一倍的晶体管数，这意味着电路成本每18至 24个月就可以减半，但这只是指裸晶(Die)的成本，并不表示整个芯片的成本都减半，然而也要最终成品的良率必须维持才能算数。
不能随摩尔定律而缩减的成本，包括晶圆制造更前端的掩膜(Mask)成本，以及晶圆制造更后端的封装(也称为：构装、包装)成本。
用低廉劳力来降低封装成本
先说明封装成本，每生产一颗芯片都需要一个芯片封装，理论上摩尔定律让芯片面积缩小，连带的封装上的面积用料也可以减少，所以封装成本也可以减少，但实际上不然，事实是：芯片一方面缩小面积，另一方面也让电路更加复杂，所需要的接脚数目增加，同时电路更缩密后其用电量相同，发热量也相同，但却只能用更小的面积来散热。
因此，封装无法随裸晶面积一同缩小，反而裸晶缩小后产生更
多难题需面对！包括置入更多数目的接脚、更佳的散热性等，所以封装需要投入更多研发资源，另外封装用料成本也必然因此增加，从过去简单的树脂材质，到之后的陶瓷材质，以及更之后的BGA封装、覆晶封装、IC载板等，封装的技术与成本都在逐步提高。
不过，欧美开云棋牌官网在线客服大厂既然在晶圆制造上因摩尔定律而获得了成本精省，也必须正视封装成本居高不下的新问题，为了保有产品价格优势，欧美业者" title="业者">业者积极将封测厂移至海外，特别是移至劳力成本低廉的地方，过去是移至南韩、台湾、泰国、马来西亚，但近年来则再度迁移，迁至中国内地、越南、东欧，透过低廉劳力让芯片封装成本降低。
掩膜成本成指数性上升
封装成本可以倚赖低价劳动力来降低，那么更前端的掩膜方面呢？很不幸的，掩膜无法如封装一样用低价劳力来压低成本，相反的，随着晶体管的更缩密化，工艺的更先进化，掩膜的开设成本却只会呈现指数性攀升，130nm(纳米，中国内地方面称为：纳米)工艺缩密成90nm后，晶圆上的电路成本可以缩减一半，但掩膜成本却是要增加数倍。
所幸掩膜的开设次数并不多，掩膜建立一次后，可随着日后芯片的大量量产" title="量产">量产而分摊最初建置掩膜的成本，当产量高到一定的规模数量后，掩膜成本就能均摊到机近于零，所以即便掩膜因工艺提升而增加成本，也不用过于在意。
但是，运用量产来均摊掩膜成本的作法已经愈来愈不可行，掩膜成本一次又一次地倍增，光是一组130nm的掩膜就已经破百万美元，但芯片的需求量、产量却无法呈现倍增需求，以致近年来开设新掩膜的件数愈来愈少，从上万件退到数千件。
或许如上的描述尚不足以让人感受到严酷性，但从台湾集成电路制造公司(TSMC)蔡力行在公众场合曾说过的一段话就更能深刻体会：一家无晶圆厂业者 (Fabless)新设计的芯片，在第一次试制品(Prototype)完成后，若其特性表现不佳后将必须修改设计，修改后进行第二次的试制，如果第二次试制的表现结果依然不理想，其实就不用进行第三次试制了，因为该业者的竞争对手已经避开其失败经验，一次就推出成功的芯片，即便业者愿意进行第三次尝试，前两次的试制成本已经过高，这些成本都必须转嫁到第三次的芯片上，未来就算能量产，其芯片价格也难与其它业者竞争，与其如此不如不做。
很明显的，前两次试制都失败的话，掩膜成本就足以让无晶圆厂芯片业者吃不消，最后必然要退出该芯片产品市场，此后除了加码原有的其它产品芯片外，就只能重新尝试、摸索其它类型的芯片市场。由此可见，掩膜成本已成为极可怕的压力，完全无法用封测厂外移的低价劳力方式抒解。
掩膜难以因应Time-To-Market
掩膜不仅成本节节攀升，更麻烦的是掩膜的开设时间无法缩短，每次都需要数十天的时间，然而芯片市场已从过去的信息、通讯市场转移至消费性电子市场，过去资通讯芯片的特点是少样多量，相同一致的芯片需求量极高，开设一次掩膜后可使用很久，并量产出极多芯片，相对的消费性电子的特性是少量多样(变化多)、变化快速，掩膜使用一段时间后就必须因应市场的改变而修改电路，使整组掩膜中有数张掩膜无法适用，必须重新开设。
所以，即便掩膜成本没有节节攀升，其变更速度也一样不适合今日的芯片市场，因此许多无晶圆厂业者已逐渐舍弃使用ASIC(用掩膜方式投产的芯片)，而用FPGA来推出其设计的芯片。
FPGA从麻雀到凤凰
FPGA并非是近年来才有的，FPGA一词于1984年就已经出现，至今已经超过20年以上的时间，不过过去十多年时间内FPGA都未受到太多的重视，原因是FPGA的功耗用电、电路密度、频率效能、电路成本等都不如ASIC，在这十多年时间内，FPGA多半只用在一些特殊领域，例如芯片业者针对新产品测试市场反应，即便初期产品未达量产规模，也能先以FPGA制成产品测试。
或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目，在量产规模不足下也一样使用FPGA，或如政府、军方的特殊要求，不期望使用开放、标准性的芯片与电路，也会倾向使用FPGA。
不过如前所述的，在愈来愈多芯片无法用开设掩膜模式投产后，这些芯片一样要上市，就只好以FPGA模式来生产。所幸FPGA也受益于摩尔定律，在工艺技术不断提升下，晶体管愈来愈缩密化，原本相较ASIC逊色的电路密度过低、频率效能过低、电路成本过高等问题，在新一代FPGA上，早已拉近与ASIC 间的表现差距。
△图说：FPGA的功耗用电表现愈来愈受到关注，因此美国国家开云棋牌官网在线客服公司(National Semiconductor；NS)针对Xilinx公司的FPGA及CPLD提出了电源设计工具：Power Expert，运用工作可加速FPGA应用电路的电源设计。（www.National.com）
△图说：AMI Semiconductor推行ASIC(Cell型)及Structured ASIC(结构化" title="结构化">结构化ASIC)，其中结构化ASIC以XpressArray-II(简称：XPA-II)之名推行，XPA-II以150nm工艺制造，工作频率最高至500MHz，并整合390万个ASIC逻辑闸及480万位的内存。（www.AMIS.com）
△图说：QuickLogic最新推出的ArcticLink系列芯片。ArcticLink除了与FPGA一样具有可程序化的电路外，还内建了 USB 2.0 HS OTG、SD/SDIO、MMC、CE-ATA等接口，以及USB实体接口及处理器接口。QuickLogic以CSSP(Customer Specific Standard Product)诉求来推行ArcticLink。（www.QuickLogic.com）
正因如此，近年来FPGA不断抢食ASIC市场，迫使ASIC业者不得不推出策略因应，最显著的策略就是提出结构化ASIC(Structured ASIC)，或者也称为平台化ASIC(Platform ASIC)，结构化/平台化ASIC，期望通过减少重新开设的掩膜数、减少电路修改成本及时间，使芯片可以更早上市。
但结构化/平台化ASIC只是减少重开掩膜的张数，并不能完全免除掩膜的使用，加上配套的设计工具(EDA)与已有数十年运用的ASIC、FPGA相比，明显不够完备，后势发展与市场接受度尚待时间考验。特别是LSI Logic(巨积科技)、NEC Electronics(恩益禧电子)等大厂纷纷退出后，结构化ASIC的推行气势就更为薄弱。
当然，FPGA因掩膜成本攀升以及摩尔定律而逐渐走俏，成本、效能等特性表现也逐渐改善，但依然有一点是FPGA持续低弱的，那就是功耗用电。就一般而言，要实现相同的功效电路，用FPGA手法实现的功耗用电是ASIC手法的15倍之高。
功耗用电依然是FPGA的罩门
FPGA虽积极使用最先进的工艺技术提升效能、降低成本，但工艺日益缩密的结果是：晶体管的漏电流(Leakage Current)愈来愈大，包括从源极(Source)到汲极(Drain)之间的电流漏往基极(Body)，也包括闸极(Gate)直接漏至基极。
关于此目前开云棋牌官网在线客服业界也提出各种漏电防制之道，例如IBM提出硅绝缘(SOI)技术，可减少源极通往汲极间的漏电，或如Intel于2007年11月发表的高介电质金属闸极技术，则可减少闸极的漏电。
不过，FPGA本身因具备可程序化的天性，其逻辑闸电路用量必然高于ASIC，因此其功耗用电确实很难收敛，以致于到今天为止，凡是以电池运作的手持式应用都无法使用FPGA，至多是使用逻辑闸数目较少的CPLD。而根据研究调查机构iSuppli的推论：如果FPGA因功耗用电的改善而能用于手持式应用的话，则FPGA的市场将可能再增加30亿美元。也因为如此，现在FPGA业者都以减少FPGA用电为研发目标。
近年来的FPGA市场发展
了解FPGA的近年来发展后，最后也必须了解一下FPGA业者的发展趋势，事实上90年代后期FPGA市场就已经过一番激烈整合，许多业者不是退出PLD(可程序化逻辑装置)市场，就是出售其PLD业务部门，或将PLD业务部门分立成独立公司，或进行购并等。
时至今日，FPGA市场的主要业者仅剩数家，包括Altera、Xilinx(赛灵思，过去称为：智霖科技)、Actel、Atmel、 Lattice、QuickLogic等，不过2007年11月QuickLogic也确定淡出FPGA市场，并转进发展CSSP(Customer Specific Standard Product)，甚至QuickLogic公司的总裁、主席、执行长(中国内地方面称为：首席执行官，或首席行政官)E. Thomas Hart就直言：Altera与Xilinx已经成为FPGA领域的「可口可乐」与「百事可乐」。言下之意就是，除此之外第三家FPGA业者，很难有窜头的机会。
话虽如此，但FPGA领域依然有新兴业者出现，例如Achronix Semiconductor、MathStar等。且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外，混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角，例如 Cypress Semiconductor的PSoC(Programmable System-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路，或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片：Fusion，或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(Field Programmable Analog Array；FPAA)等，相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。
△图说：虽然今日的开云棋牌官网在线客服工艺工艺仍然持续合乎摩尔定律(Moore’s Law)，但真正能以最新工艺量产的芯片已愈来愈少。图中为摩尔定律中「每18个月」与「每24个月」的趋势发展曲线比较。