FPGA在嵌入式消费电子系统中的应用不断走强

上网时间: 2005年03月01日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:FPGA? ASIC? 结构化ASIC?

作为嵌入式系统的基础元件之一,FPGA的面貌正日新月异:逻辑单元不断增加、单位成本和功耗不断降低,而根本的设计灵活性和快速转换能力却始终未变。在变与不变的共同推动下,FPGA的价值发生了变化,它已从纯粹的建模工具发展成为适合中小批量生产的应用器件,而其应用也从早期的嵌入式通信系统扩展到了低成本的消费电子。

FPGA之所以越来越多地在嵌入式系统中得到应用,主要得益于它在低成本和低功耗两方面均取得了很好的进步,从而能够满足OEM日益紧迫的上市周期、不断缩减的成本结构和低功耗要求。“内外两个因素正驱动着这种以价值为基础的FPGA市场的高速发展。”Actel公司中国区经理夏明威如是说,“内因是FPGA单位成本的急速下降。凭借半导体工艺技术的不断进步和制造效率的提高,FPGA已在很多对成本高度敏感的市场上与ASIC平分秋色。”
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可编程逻辑市场将在2008年成长为63亿美元。

而外因来自于掩膜成本的上升。出于这一众所周知的原因,对于批量低于50万片的项目,FPGA比ASIC更具成本吸引力。

市场分析师对可编程逻辑器件市场的预测也验证了这一趋势。首先据市场调研公司Gartner Dataquest预测,2003到2008年,整体可编程逻辑市场的复合年均增长率达38%;其次,他们预测这一增长是由汽车和消费电子应用驱动的。

他们还认为,FPGA在消费电子中的应用将于2008年超过10亿美元,即接近其2002年营收水平的10倍。增长的推动力主要来自全球数字和高解晰度广播电视传输标准、游戏和多媒体娱乐系统、LCD和等离子显示技术、以及家用DVR和DVD-W技术应用的不断上升;在汽车领域,FPGA将越来越多用于驾驶室内娱乐系统和GPS导航系统、信息、通信和安全系统。

“自2001年以来,通信业务就不再是我们销售收入的最主要来源。实际上在最近几年里,PC/存储、工业,特别是消费市场的增长速度已超过了通信市场。”Altera公司亚太区市场总监梁乐观说,“其中,包括LCD和等离子电视在内的平板显示器市场增速最快。”

降低成本是为了最终导入规模应用

为了迎合应用市场的变化,各FPGA供应商都争相推出低成本FPGA,最引人瞩目当属Actel于今年1月宣布推出的ProASIC3/E系列。据称在该系列中,密度为3万门的FPGA的价格可低至1.5美元。这一价格水平的实现,很大程度上归功于该公司与英飞凌和台联电合作开发的第三代闪存工艺技术。夏明威说:“我们的闪存130nm LVCMOS工艺具有6铜1铝共7层金属,同时还采用了标准的CMOS技术实现PLL等逻辑和控制功能。”

此消息令业界颇为震动。1.5美元的价格是迄今为止FPGA的最低报价,尽管它瞄准的是低端市场,但多少让人们看到了FPGA在量产阶段规模应用的曙光。同时,它向对莱迪思(Lattice)的LatticeEC系列、以及赛灵思的Spartan-3和Altera的CycloneII做出了?威。

“在半导体产业,价格削减司空见惯,我们必须推出具有竞争力的产品,来应对诸如ProASIC3的竞争。”莱迪思的市场营销副总裁Stan Kopec表示,该公司正在不断提高和改善制造工艺,为未来降低LatticeEC系列的产品报价作好准备。

供应商努力降低FPGA成本,实际上也是为了FPGA在终端设计中的规模应用做准备。当前,基于FPGA的原型设计在导入量产时,除了转向ASIC外,还有另两种方式。第一种是采用结构化ASIC,典型代表如Altera瞄准通信网络应用的HardCopy和最新的HardcopyII,以及AMI公司的XPress Array II等。

梁乐观在介绍HardcopyII时说:“作为最引人注目的结构化ASIC,HardCopy II采用了独特的FPGA前端设计方法,每百万ASIC逻辑门价格的低至15美元,它能从引脚兼容、功能等同的FPGA原型上进行无缝移植。”

但其它FPGA供应商并不认同结构化ASIC这一产品战略。赛灵思的亚太区市场营销总监郑馨南认为:“结构化ASIC以牺牲灵活性为代价换取了芯片面积和成本的缩小。由于大量想用ASIC进行量产的产品采用了FPGA来进行产品原型设计,因此在从FPGA向结构化ASIC转换的过程中必然会碰到一些问题。”

赛灵思的此番话自然是为其Easypath方案造势,该公司将这种方案称为客户专用FPGA,我们可称其为导入量产的第二种方式。“它与标准的FPGA没有本质的不同,只是采用了专利的测试技术和客户专用的测试样本来提升FPGA的效率。郑馨南说,“对于客户来说是没有风险的,因为无需经历任何转换工作。我们可在8周内批量交付EasyPath器件,但结构化ASIC却需要12-14周。”

但Altera反驳说,在其去年12月推出的Quartus II 4.2版设计软件的帮助下,FPGA设计向HardCopyII转换的时间已能缩短到8-10周。“利用QuartusII设计软件和StratixII FPGA系列器件,设计者可在系统中迅速地验证设计。他们还可以试销产品,甚至为一种设计开发出多个版本,然后再生产芯片。”梁乐观说,“一旦工程师确定了设计,QuartusII软件自动产生文件并交给HardCopy设计中心,在8-10个星期内,设计中心可以将FPGA设计移植到HardCopy II上,并提供经过全面测试的样品。”

另一支FPGA生力军QuickLogic也于今年1月新推了ESP业务,其目标市场与赛灵思的EasyPath有些类似,只是产品内部结构不同于FPGA。“ESP是把一些通用IP固化在芯片里,但又预留了可编程逻辑的空间,让客户自由开发。它可以帮助客户缩短设计周期,降低开发成本。”QuickLogic公司亚太区总经理冯远辉说,“这是因为ESP采用了ViaLink金属连线技术,它有效使用了内部逻辑单元,既可降低成本,又能有效保护客户IP。”

与这三家公司不同的是,Actel和莱迪思并没有寻找所谓的“转换路线”,而是坚定不移的发展FPGA。Actel以ProASIC3/E系列的推出解决了300万门以下FPGA市场的量产问题。而莱迪思的Kopec也表态说:“作为成立时间相对较短的FPGA供应商,我们专注于FPGA,而不支持特殊的转换方法;我们的重点在于推动可编程器件的成本下降。我们相信,为数很少的用户会转向结构化ASIC。”

FPGA开始走向低功耗

过去的观点认为,FPGA有三大致命弱点:密度低、性能慢、功耗大。现在前两个问题都已解决,供应商开始认真考虑功耗问题,尤其是进入90nm后,漏电流的增加会导致静态功耗上升,而此时动态功耗的情况则相对乐观。对OEM 而言,降低功耗、延长电池的使用时间与降低成本和体积同样重要。iSuppli公司曾预计,如果功耗问题能够顺利解决,FPGA至少能夺走30亿美元的ASIC市场。

赛灵思公司最近在削减功耗方面表现得尤为突出,该公司不仅推出了Spartan-3系列的低功耗版本Spartan-3L,还高调宣称其Virtex-4的功耗不到竞争产品的1/10。郑馨南说:“得益于独特的‘冬眠模式’,新的Spartan-3L系列的静态功耗削减了98%,从而可将制冷系统缩减到最小。”简单来说,这种方法实际上就是将FPGA中长期不用的部分完全关断,而短时间内不用的部分则采用待机模式。

至于Virtex-4,该公司则声称通过独特的节能配置电路和90nm三栅极氧化层技术(triple-oxide)技术,其启动时浪涌功耗比其它90nm FPGA低94%,静态功耗也低了78%。赛灵思表示,三栅极氧化层技术的前两个氧化层在业界广为应用,即针对内核的薄氧化层和针对I/O的厚氧化层,而其专有的第三层氧化层则用于特定功能区域内的配置单元和核心晶体管,以减少这些区域的漏电流。并且,由于这些晶体管的开关并不十分频繁,因此性能上不受影响。

毫无疑问,赛灵思的做法肯定会引来对手的抨击。Altera声称此前也曾考虑过使用类似的三层氧化层技术,但由于这不是标准的工艺技术而放弃,并认为这会增加制造的风险。对此,赛灵思的郑馨南反驳说:“台联电和东芝的晶圆厂已经采用了这种工艺技术,证明它是一种成功的工艺。”

Virtex-4另一个独特之处就是采用了FSG作为介质材料,而对手Altera采用的则是标准的低K介质。

Virtex-4所采用的其它节能技术在业界颇为普遍,比如减小晶体管的长度和宽度、减少门电容;采用优化的硬IP来降低动态功耗等等。莱迪思的Kopec说:“在任何合适的地方,我们都广泛使用基于ASIC的I/O和硬IP,这样可以显著降低高速功能的功耗。利用这种方法,高速模块的功耗下降了75%。”

供应商还通过软件工具来分析功耗的产生过程。Altera声称,其Quartus II 4.2版设计软件带有名为PowerPlay技术的可编程逻辑功率分析和优化套件,可以在设计初期详细估算出静态和动态功率,并在设计过程中提供更详细的资源耗用情况,从而更精确的估算出实际功耗。

至于Actel,则是以闪存技术为契机来削减功耗。夏明威说:“基于闪存的ProASIC3器件本身就具有低功耗特性。并且,它还支持单供电电压(1.5V)的基础设计,因此无需额外的调压器,还能够以可控和可预测的方式上电和掉电。因此该器件可减少电源要求、增强系统可靠性,并降低系统热管理成本。”

而QuickLogic也声称推出了待机功耗仅为14μA的Eclipse II。“其功耗表现可与ASIC相媲美,远低于任何基于SRAM或闪存技术的FPGA产品,足以胜任电池、太阳能供电系统的严格要求。”该公司的冯远辉说,“我们还会在今年推出下一代产品Eclipse III,它的功耗将降得更低,效率也将得到提升。”

多角度满足应用需求

FPGA市场出现的另一个最新趋势是专用硬核的使用越来越多,这是一种能满足客户特定应用要求的经济有效的方式。但这种做法的风险颇为巨大,即使赛灵思和Altera这样的巨头也不愿意担负选错硬核的代价,于是他们开始使用软核,这就为平台级FPGA打下了基础。

FPGA在过去一年里的另一个显著变化是增加了不少高速I/O,以满足多个市场应用的需要。这些I/O标准与高速连接和更高层的数据处理与聚集结合在一起,增大了系统带宽。对许多应用而言,采用一颗集成了多处理内核、丰富接口和胶联逻辑的可编程器件要比用单板集成多个分立器件更具吸引力。

为了针对不同的应用配置合理的价格点和功能,赛灵思推出了包括LX、SXHE FX在内的多平台Virtex-4;Altera也将在今年上半年量产Stratix II系列的所有器件。赛灵思的郑馨南说:“FPGA技术的未来在于多平台方式,从而允许客户根据应用选取最经济、性能最优化的方案。”

其它供应商声称从其它角度来满足应用需求,这实际上也是各个公司引以为傲的产品卖点。例如,QuickLogic公司十分重视总线结构。“发展平台FPGA是大势所趋,集成一颗甚至多处理器的平台产品在业界并不罕见。然而要有效使用片上处理器资源,一个合理的总线结构是必不可少的。”冯远辉说,“基于SRAM的FPGA因为其连线的特性无法提供一个可配置的高性能片上总线,不免使片内处理器徒作鸡肋。而我们的ViaLink的金属连线保证了高性能AMBA总线得以在QuickMIPS上实现。”

Actel则突出其闪存技术带来的附加好处,如上电即行和安全机制等。夏明威说:“这种安全机制可防止外界对所有编程信息进行访问,同时ProASIC3/E还采用了业界标准的128位AES密匙算法,确保了系统内的重复编程可以安全进行。”

实际上,本文所阐述的价格、功耗、性能和功能等各方面都是开发商在选择FPGA时应该综合考虑的因素。“这里所指的功能包括FPGA的逻辑密度、可用IP(硬IP和软IP)和接口I/O。”莱迪思的Kopec说:“供应商还必须能够提供全套的兼容性系统级模块,包含FPGA、互连解决方案、功耗和时钟管理IC、IP、评估平台和软件,尤其是系统调试测试方面的软件工具。”

作者:肖平

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  • FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活,同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低,FPGA还将进入更多的应用领域。

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