《電子技術(shù)應(yīng)用》
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可編程技術(shù)勢在必行 — 一觸即發(fā)

2009-02-12
作者:美國賽靈思發(fā)展公司
關(guān)鍵詞: FPGA Xilinx

  設(shè)計(jì)師們最有發(fā)言權(quán),,他們認(rèn)為二十一世紀(jì)最具決定性的集成電路技術(shù)就是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),而傳統(tǒng)門陣列和結(jié)構(gòu)陣列技術(shù)將退居到特殊的大批量應(yīng)用,。 無論是用來完成關(guān)鍵功能還是直接作為系統(tǒng)核心,,今天的FPGA所提供的性能、成本,、功耗和容量都已經(jīng)達(dá)到甚至超過此前專用IC或?qū)S脴?biāo)準(zhǔn)器件(ASSP)的水平,。

  可編程硬件的可配置特點(diǎn)不僅具備產(chǎn)品差異化和快速上市等傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn),同時(shí)當(dāng)批量達(dá)不到足以支持開發(fā)專用IC成本的時(shí)候還可以加快投資回報(bào)速度,。 在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和金融形勢同時(shí)惡化的情況下,,先進(jìn)的
FPGA技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)引爆點(diǎn)。由于風(fēng)險(xiǎn)管理以及適應(yīng)市場動(dòng)態(tài)形勢的能力對于企業(yè)生存變得越來越關(guān)鍵,,對于電子系統(tǒng)生產(chǎn)商來說,,硬件可編程能力已經(jīng)必不可少。

  產(chǎn)品和技術(shù)復(fù)雜性不斷提高,,同時(shí)開發(fā)周期卻越來越短,,預(yù)算也更為緊張。因此,,要做到真正的靈活應(yīng)變,,開發(fā)團(tuán)隊(duì)還需要新的設(shè)計(jì)方法和工具。
賽靈思公司 Virtex?-6 和 Spartan?-6 FPGA系列的推出為“目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺”(targeted design platforms)奠定了硬件基礎(chǔ),,同時(shí)也是賽靈思公司致力于為設(shè)計(jì)小組提供強(qiáng)大開發(fā)工具和方法支持而努力的成果,。新的平臺將進(jìn)一步加快可編程邏輯在一系列終端市場中的應(yīng)用速度,這些終端市場包括汽車,、消費(fèi)和有線/無線通信,,以及航空航天和國防領(lǐng)域。

更廣泛的FPGA應(yīng)用模式

  最近由電子工程專輯(EE Times)雜志的 Piper Jaffray以及Kirtland 空軍基地
FPGA任務(wù)保證中心(FPGA Mission Assurance Center)進(jìn)行的最新研究證實(shí)了業(yè)界人士的直覺判斷: 門陣列,、結(jié)構(gòu)化ASIC和基于單元的ASIC產(chǎn)品應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入停滯期,,而在所有類別中FPGA替代這些產(chǎn)品的情況都很普遍。 門陣列產(chǎn)品的趨勢特別明顯,,65%的受調(diào)查者認(rèn)為門陣列的使用將保持穩(wěn)定,,而12.8%的人則認(rèn)為會大大減少。與此相比,72%以上的人認(rèn)為FPGA的使用將大幅增加,,僅有27%的人認(rèn)為將會保持穩(wěn)定,。 沒有人認(rèn)為FPGA的使用會減少。

  過去幾年時(shí)間里,,
賽靈思已經(jīng)從全球市場發(fā)展過程中感受到了這一趨勢,,公司在工業(yè)、消費(fèi)以及汽車等市場的營收均有大幅增長,。 同時(shí),,FPGA在中國和歐洲被更廣泛地應(yīng)用于下一代無線通信系統(tǒng)之中。2006年開始推出的Virtex-5 FPGA系列正在成為賽靈思公司銷售額最大的Virtex系列,。

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,,無論是從事消費(fèi)產(chǎn)品還是工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì),都報(bào)告說正在考慮將
FPGA用于多種應(yīng)用之中,。這部分是由于開發(fā)和生產(chǎn)專用IC的成本不斷飆升,。 現(xiàn)在,FPGA已經(jīng)從最初主要應(yīng)用于原型設(shè)計(jì)逐漸延伸到最終產(chǎn)品的整個(gè)生命周期,。 對于專用IC開發(fā)來說,,其成本回收需要銷售大量的器件才可接受。 不然,,相對較高的單件成本,, FPGA器件與專用IC之間的成本差異就不是那么重要了。

  隨著
FPGA被應(yīng)用于新的基帶無線和圖像處理系統(tǒng),,使用FPGA的工程師群體也在擴(kuò)大,。 20世紀(jì)90年代,FPGA的用戶群體幾乎主要由硬件設(shè)計(jì)師構(gòu)成,。 今天,,豐富的IP內(nèi)核和用戶友好的EDA工具使得系統(tǒng)集成人員、DSP開發(fā)人員,,甚至嵌入式軟件工程師采用FPGA進(jìn)行創(chuàng)新變得更為容易,。 在FPGA用戶方面,Piper-Jaffray的研究表明73%的用戶在從事嵌入式設(shè)計(jì),。調(diào)查過程中74%的人在其從事的項(xiàng)目中采用了嵌入式處理器,。硬內(nèi)核處理器,特別是Power 架構(gòu)的嵌入式處理器,,處于領(lǐng)先地位,。同時(shí)賽靈思Microblaze? 處理器這樣的可綜合軟內(nèi)核處理器也在快速發(fā)展。

  沒有哪個(gè)領(lǐng)域能夠比航空航天和國防領(lǐng)域使用可編程邏輯更為廣泛了,。 軍用合同商中轉(zhuǎn)向
FPGA解決方案的速度如此之快,,數(shù)量如此之多,,以致于空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Labs)在新墨西哥的Kirtland空軍基地專門新成立了FPGA任務(wù)保證中心(FPGA Mission Assurance Center ),。 推動(dòng)主承包商和分承包商們采用FPGA的因素包括:更大成本競爭力,、軍用航空航天系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的不斷演化以及安全、空間通信和航空電子學(xué)對可重新編程能力的需要,。 盡管Piper-Jaffray調(diào)查中回答明年將會雇傭更多FPGA設(shè)計(jì)人員的比例達(dá)到42%,,但航空航天和國防行業(yè)的這一數(shù)字卻達(dá)到了48%。


可編程技術(shù)勢在必行

  在2001年的經(jīng)濟(jì)低迷時(shí)期,,產(chǎn)品開發(fā)的趨勢就很普遍,。如今的2008-2009年,面對經(jīng)濟(jì)和商業(yè)形勢的雙重危機(jī),,這種趨勢更加變得勢不可擋,。 2009年每家企業(yè)最熟悉的口頭禪就是 “少花錢多辦事”,這意味著員工數(shù)量減少,、預(yù)算緊張,、市場窗口縮小以及產(chǎn)品生命周期更短。 同時(shí),,企業(yè)首席財(cái)務(wù)官(CFO)更強(qiáng)調(diào)降低風(fēng)險(xiǎn),。這也意味著企業(yè)在財(cái)務(wù)上更為保守,必須更為小心地限制在新市場中的投資,。 此外,,要求新產(chǎn)品開發(fā)人員還必須要不斷增加亮點(diǎn),例如新產(chǎn)品,,即使是功能更豐富了,,也必須在成本和功耗方面展示出更多優(yōu)勢。 面對更強(qiáng)烈的產(chǎn)品差異化需求和更為緊張的預(yù)算,,設(shè)計(jì)人員看起來真有點(diǎn)無所適從,。

  現(xiàn)在,轉(zhuǎn)向可編程解決方案的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟,。 在
FPGA行業(yè)的早期,,可編程邏輯主要用于系統(tǒng)外圍,做為I/O系統(tǒng)或第二層控制子系統(tǒng)的膠合連接邏輯,。 今天,,FPGA已經(jīng)應(yīng)用于系統(tǒng)的核心。 當(dāng)FPGA被用于中心控制或數(shù)字信號處理(DSP)任務(wù)時(shí),,所有的系統(tǒng)差異都可在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn),。 即使是FPGA僅僅作為標(biāo)準(zhǔn)CPU或DSP的配角時(shí),產(chǎn)品設(shè)計(jì)的許多亮點(diǎn)可能也是通過FPGA實(shí)現(xiàn)的,,因?yàn)?/font>FPGA能夠大幅提升性能和功能,。 無論是在哪種情況下,FPGA的角色都在改變系統(tǒng)中IC設(shè)計(jì)的方式。

  在當(dāng)前企業(yè)普遍面臨財(cái)務(wù)困難的時(shí)候,,轉(zhuǎn)向
FPGA在財(cái)政上的可行性更大,。 現(xiàn)在的工程預(yù)算很難平衡傳統(tǒng)專用IC設(shè)計(jì)流程不斷增長的沉沒工程(NRE)成本。 FPGA提供了比任何專用IC設(shè)計(jì)方式更低的設(shè)計(jì)成本,。

  事實(shí)上,,當(dāng)
賽靈思CEO Moshe Gavrielov說到“可編程技術(shù)勢在必行”(the programmable imperative)的時(shí)候,他實(shí)際的含義是指當(dāng)前的形勢幾乎強(qiáng)制要求從傳統(tǒng)ASIC轉(zhuǎn)移到可編程解決方案,。 對于傳統(tǒng)門陣列和基于單元的ASIC來說,,隨著每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的演進(jìn),其NRE成本都飛速增長,。 例如,,從90nm 發(fā)展到 65nm 工藝,傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)的前期成本大幅提高,。 行業(yè)研究企業(yè)iSuppli 報(bào)告說傳統(tǒng)ASIC營收在整體邏輯IC營收中的比例從2000年的32%下降到了2008年的20%,。 在當(dāng)前的金融形勢下,甚至ASSP的開發(fā)商也面臨巨大的壓力,,特別是當(dāng)特定器件所針對的終端市場也形勢不妙的情況下更是如此,。

  當(dāng)然,傳統(tǒng)ASIC并不會明天就消失,。 ASIC面向的是產(chǎn)量極高的穩(wěn)定產(chǎn)品,。 然而,單靠最終產(chǎn)品數(shù)量的增長,,即使是批量達(dá)到數(shù)萬甚至數(shù)百萬,,也無法負(fù)擔(dān)ASIC掩膜成本。從90nm到32nm,,ASIC掩膜成本從約100萬美元飆升到了約1200萬美元,。 對于EDA工具供應(yīng)商來說,為了跟上工藝技術(shù)的發(fā)展需要投入更多研發(fā)資源,,因此服務(wù)于專用架構(gòu)的EDA工具價(jià)格也上升很快,。 另一方面,現(xiàn)在的
FPGA使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)企業(yè)或部門能夠不必直接負(fù)擔(dān)IC開發(fā)的成本就可以充分利用先進(jìn)的工藝技術(shù)所帶來的優(yōu)點(diǎn),。

  
FPGA的成本優(yōu)勢并不限于原始設(shè)計(jì),。在FPGA中轉(zhuǎn)換和重新實(shí)現(xiàn)過時(shí)的ASSP產(chǎn)品,FPGA同樣顯示出其成本優(yōu)勢,。 將現(xiàn)有設(shè)計(jì)或升級后的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為FPGA,,開發(fā)人員將會發(fā)現(xiàn)隨工藝節(jié)點(diǎn)的發(fā)展,產(chǎn)品的更新?lián)Q代更容易,。 采用可編程架構(gòu),,通過增加新的功能能夠大幅延長最終產(chǎn)品的實(shí)際貨賀壽命,。

  特別是在消費(fèi)產(chǎn)品等快速變化的市場中,技術(shù)驅(qū)動(dòng)以及通用接口或處理標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用非常明顯,。在這些市場中采用
FPGA能夠更好地體現(xiàn)出FPGA的另一個(gè)優(yōu)勢,。 盡管在某些基于陣列和單元的技術(shù)中也有可重用IP內(nèi)核,但其更適用于FPGA產(chǎn)品,,并且更容易擴(kuò)展應(yīng)用于不同產(chǎn)品線。 這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門一方面可以解決不斷攀升的設(shè)計(jì)復(fù)雜性難題,,同時(shí)還可以為系列產(chǎn)品中的每種產(chǎn)品都提供豐富的特色,。

  市場需求的快速變化也進(jìn)一步突破了PFGA的實(shí)力和優(yōu)勢。 當(dāng)前的時(shí)代,,其標(biāo)志就是產(chǎn)品生命周期大大縮短,,市場窗口更為窄小。而與傳統(tǒng)ASIC相比,,
FPGA產(chǎn)品需要的開發(fā)時(shí)間更短,。 例如,在消費(fèi)領(lǐng)域,,平均產(chǎn)品壽命原來是3到5年,,而現(xiàn)在縮短到了一年甚至更短。 甚至在通信,、軍事航天等垂直市場,,此前長達(dá)20年的典型產(chǎn)品生命周期現(xiàn)在也縮短到10年或更短。 易變的終端用戶興趣和需求所帶來的挑戰(zhàn)也使得FPGA的可重新編程能力更受設(shè)計(jì)人員青睞,。FPGA的可重新編程能力意味著能夠在產(chǎn)品生命周期過程中對其進(jìn)行修改,。

  事實(shí)上,消費(fèi)市場產(chǎn)品(如LCD顯示和機(jī)頂盒等)開發(fā)的不確定性幾乎使得
FPGA成為產(chǎn)品中必需使用的器件,。 除了焦點(diǎn)群體和一對一消費(fèi)調(diào)查研究以外,,系統(tǒng)生產(chǎn)商發(fā)現(xiàn)很難提前預(yù)測6個(gè)月或6年后的產(chǎn)品升級要求。 因此,,許多生產(chǎn)商開發(fā)產(chǎn)品時(shí)都是基于通用的低成本FPGA解決方案也開發(fā)一組核心功能,。 利用FPGA作為實(shí)現(xiàn)功能差異化(如協(xié)議支持和圖像處理)的關(guān)鍵單元,生產(chǎn)商現(xiàn)在擁有了更大的靈活性,,能夠在開發(fā)過程中進(jìn)行修改并隨時(shí)滿足不斷出現(xiàn)的新市場需求,。

 

賽靈思勢在必行

  通過新推出的Virtex-6Spartan-6 FPGA系列,賽靈思公司幫助設(shè)計(jì)人員解決產(chǎn)品差異化勢在必行的要求,,幫助他們在降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),, 更高效地工作。 新推出的這些產(chǎn)品充分發(fā)揮了先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的性能和成本優(yōu)點(diǎn),,可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員滿足全球市場對更高帶寬和更高性能永無止境的追求,。

  
賽靈思發(fā)現(xiàn),,FPGA擴(kuò)展進(jìn)入新的垂直市場的關(guān)鍵是有適用的目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(targeted design platforms)。 這些平臺并不僅僅是硬件開發(fā)套件,,而是包括了由賽靈思公司及其第三方合作伙伴網(wǎng)絡(luò)所開發(fā)的第三方IP內(nèi)核,,以及軟件套件。因此能夠大大方便開發(fā)過程,。 賽靈思FPGA 是目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺的核心,。其中新推出的Virtex-6Spartan-6器件容量比前一代產(chǎn)品翻了一翻,系統(tǒng)成本可降低多達(dá)50%,,功耗則可降低多達(dá)65%,。 然而,只有將硬件和軟件及IP完美地結(jié)合起來,,設(shè)計(jì)人員才能夠在垂直市場上充分體現(xiàn)基于FPGA的系統(tǒng)開發(fā)所能夠提供的全面價(jià)值,,同時(shí)才能夠集中精力開發(fā)從終端用戶角度來看真正能夠體現(xiàn)產(chǎn)品差異的功能。

  因此,,如果希望在采用
FPGA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一次取得成功,,目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺就變得至關(guān)重要。 新的目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺開發(fā)環(huán)境包括: 1)基本平臺,,包括FPGA器件,、基本開發(fā)板和經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)計(jì)環(huán)境;2)面向領(lǐng)域優(yōu)化的平臺,,增加了專門用于嵌入式處理,、DSP或邏輯/連接功能的軟件和子卡;以及3)市場專用平臺,,包括針對汽車,、視頻和通信等專門領(lǐng)域的接口、IP內(nèi)核和軟件,。

  設(shè)計(jì)環(huán)境本身的改進(jìn)以及“可插接IP”(“socketable IP”)策略的實(shí)施使得這些平臺能夠保證在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中順利實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)概念到片上系統(tǒng)(SoC)實(shí)現(xiàn)之間的整個(gè)流程,。 目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺以及
Virtex-6Spartan-6系列FPGA在架構(gòu)方面的改進(jìn)還進(jìn)一步支持了以處理器為中心(processor-centric)的架構(gòu),在FPGA中以SoC方式實(shí)現(xiàn)處理器功能,。

  
賽靈思堅(jiān)信SoC是未來硬件實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)方式,,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的器件集成、更高的速度,、更小的封裝和測試成本以及更高的系統(tǒng)可靠性,。 相應(yīng)地,這也會導(dǎo)致最終產(chǎn)品總體成本更低,。 在單個(gè)器件中集成處理器和外圍邏輯還進(jìn)一步簡化了板級布局,,并減少了高速信號板上走線的數(shù)量。 采用以處理器為中心的SoC進(jìn)行設(shè)計(jì)可提高總體設(shè)計(jì)的速度,,同時(shí)更為靈活的子系統(tǒng)可方便設(shè)計(jì)修改和升級,。

  在
FPGA供應(yīng)商中,,賽靈思占有主導(dǎo)性的市場份額,其較高的客戶滿意度也保證了其市場主導(dǎo)地位不會被蠶蝕,。 在前面引述的Piper Jaffray/EE Times研究中,,賽靈思幾乎在每個(gè)類別中用戶滿意度都處于領(lǐng)先地位,通常比最近的競爭廠商高20%甚至更多,。 在調(diào)查中,,設(shè)計(jì)人員認(rèn)為“可靠性”是選擇FPGA時(shí)的最重要因素,其次依次是上市時(shí)間,、供應(yīng)商支持,,EDA工具質(zhì)量、設(shè)計(jì)失敗和驗(yàn)證失敗的(低)風(fēng)險(xiǎn)等,。 調(diào)查結(jié)果顯示賽靈思公司在所有這些指標(biāo)方面都是最高的,。

  在密度和性能競賽中,,
賽靈思的技術(shù)發(fā)展路線保證新一代FPGA將基于40nm工藝,,能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供工藝尺寸更小的產(chǎn)品和更豐富的功能IP內(nèi)核。 但這僅僅是整個(gè)故事的一半,。 賽靈思堅(jiān)信未來10年FPGA將是服務(wù)于半定制(semi-custom)應(yīng)用的最佳可編程平臺,。 FPGA的角色是可編程技術(shù)勢在必行的核心,而賽靈思Virtex-6Spartan-6 FPGA更是為電子系統(tǒng)生產(chǎn)商提供所需要的平臺和設(shè)計(jì)方法的核心,。這些產(chǎn)品和設(shè)計(jì)平臺將可幫助電子系統(tǒng)生產(chǎn)商在更具挑戰(zhàn)性的商業(yè)和技術(shù)環(huán)境中保持競爭優(yōu)勢,。

 

 

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