FPGA：融合迈入新阶段

　　本文主要为大家阐述FPGA如何在半导体行业大放异彩，在新的阶段，对FPGA而言，融合将是一种必然趋势！

　　如果说哪一类产品的成长率超过半导体行业平均增长率，那FPGA（现场可编程门阵列）算是其中翘楚。无止境的带宽需求、无处不在的互联计算、不断拓宽的市场、势在必行的可编程技术都使得高度灵活的FPGA大放光彩。

　　向新融合时代进发

　　虽然FPGA现在只有几个资深玩家，但仍然可用“异彩纷呈”描述它的创新轨迹，而融合则是其“精髓”。一方面，它的融合不只是“跨界”，通过集成ARM处理器等进入嵌入式市场。正如维特根斯坦所言，各种哲学流派存在家族相似性，FPGA的融合也相似。如赛灵思（Xilinx）的Zynq-7000系列、Altera的28nm Cyclone V和Arria V产品、Microsemi半导体公司的SmartFusion器件等。Altera资深副总裁、首席技术官Misha Burich表示，未来10年是FPGA融合的时代，在FPGA中会集成硬核处理器、大容量逻辑单元、精度可调DSP等，利用这种兼顾的架构可不断拓展应用领域，覆盖高性能计算、高性能存储、汽车马达控制等。

　　另一方面，FPGA厂商突破摩尔定律的3D异构IC，将不同工艺的模拟和数字IC实现单芯片集成，为FPGA开辟了更广阔的未来。京微雅格（北京）科技有限公司市场总监窦祥峰就提到，FPGA未来融合的方向和创新点应该是在封装上，现在封装和制程节点同样重要，封装技术对系统集成有很大的帮助，如TSV硅穿孔、2.5D封装/3D封装等新型封装技术。

　　赛灵思公司全球高级副总裁、亚太区执行总裁汤立人也对《中国电子报》记者表示，3D IC可将混合信号、存储器和高密度逻辑等不同工艺的裸片集成，逻辑使用20nm/22nm工艺，而混合信号和存储器则使用更成熟、更合适的工艺节点。3D IC技术可降低企业一下子把所有设计都移植到最尖端工艺的压力和风险，从而有助于整个行业向20nm工艺过渡。“不过，系统级单芯片器件的设计和集成比以往需要更多专业技术和投资，3D IC的开发和测试也需要多年专业经验。”汤立人进一步指出。

　　最近一年间赛灵思已交付了全球首批单芯片异构3D IC，其中包括高密度的Virtex-7 2000T，提供68亿个晶体管和2000万个ASIC等效门；高带宽的Virtex-7 H580T，提供多达16个28Gbps收发器和72个13.1Gbps收发器以及可满足关键Nx100G和400G线路卡应用功能要求的单芯片解决方案。

　　当然，一切创新都要以应用为导向。Altera公司总裁兼CEO John Daane表示，FPGA对新技术节点的需求已经超出了电路设计能力，在芯片级甚至是系统级影响设计选择。他举例道，在当今以系统为导向的环境下，只有业界最快的收发器还远远不够。串行链路需要速度足够快的控制器才能够跟上收发器，控制器需要速度很快的片内总线、容量足够大和速度足够快的缓冲以支持它们，而且所有这些模块必须满足能耗要求。

　　设计工具革新应对挑战

　　将融合进行到底的FPGA虽然一路走来风光无限，但Altera亚太区产品市场经理谢晓东指出：“FPGA硬件设计的灵活性也会带来诸如设计复杂度增加的烦恼，而软件开发在嵌入式系统开发周期中占重要地位。谁更早开发软件，谁就能占据先机，赢得市场。”由于FPGA包括处理器、DSP、硬核IP等不同模块，如何对它编程需要认真考虑，包括综合、仿真及时序分析，系统互联，基于C语言的编辑工具，DSP编程以及嵌入式软件工具OS支持等。

　　而FPGA厂家对设计工具的革新也着眼于此。赛灵思前不久公开发布新一代颠覆性设计环境Vivado设计套件，来打破集成和实现的瓶颈。“Vivado不仅能加速可编程逻辑和IO的设计速度，而且还可提高可编程系统的集成度和实现速度，让器件能够集成3D堆叠硅片互联技术、ARM处理系统、模拟混合信号（AMS）和绝大大部分半导体IP核。Vivado设计套件突破了可编程系统集成度和实现速度两方面的重大瓶颈，将设计生产力提高到同类竞争开发环境的4倍。”汤立人指出。

　　而Altera的方法是“各个击破”。Misha Burich提到，针对以上五点混合系统开发环境，Altera有分别的解决方案：在综合、仿真及时序分析方面，有传统的QuartusII；而在片上互连方面，提供Qsys工具；在基于C语言的编程工具上，OpenCL可以做一个并行编程的编译器；在DSP编程方面，Altera与The MathWorks公司合作，可以通过SoPC Builder下的DSP Builder提供给客户；在嵌入式的软件工具及OS支持方面，可通过他们的第三方开发工具，获得对FPGA的开发支持。此外，Altera率先在FPGA业界实现了虚拟原型开发技术，可支持用户面向他们的SoC FPGA器件开始应用软件的开发，以最小的工作量将软件移植到等价的硬件中，不需要修改就可以运行。

　　而京微雅格也深知开发工具的重要性。“为缩短设计周期和加快上市，提供便捷易用的开发工具越来越重要，我们在软件易用性与人性化、调试的方便性、时序优化、软件编译时间上做了很大的努力，现在我们在这些方面达到了国际先进水平。”窦祥峰表示。

　　除了FPGA原厂自己提供开发套件外，第三方的开发板或工具是FPGA生态系统的重要组成部分。北京阿尔戴信息技术有限公司南方区技术经理毛春静提到，目前的主流FPGA器件厂商，都只提供满足基本开发流程所需功能的工具，对前端设计、验证和评测支持甚少，这都需要专业的第三方EDA工具提供支持。“随着对FPGA器件应用的深入以及规模的扩大、复杂度的提高，必然会对第三方专业EDA工具有着持续增长的需求。”毛春静表示。

　　对于未来FPGA开发工具走向，窦祥峰表示，未来FPGA开发工具会利用CPU多核技术，减少FPGA的编译时间，利用GUI实现与RTL的互操作，提高软件的效率等。

　　国内厂商开始发力

　　从20世纪80年代开始先后有58家公司从事过FPGA的研发，但目前FPGA厂家仅只有三四家硕果仅存。而国内的声音在这方面相比通信芯片、无线芯片等相对较弱。可喜的是，除了航天772所在高可靠领域应用FPGA领域取得突破外，另一家着力于民用市场的京微雅格开始异军突起。

　　京微雅格公司CEO刘明博士对《中国电子报》记者介绍，从多家技术、资金实力雄厚的大公司在FPGA领域折戟沉沙中吸取的教训在于：一是不能以技术为导向，要重视市场；二是要保证持续的资金投入，有些公司正是因为资金链的中断而退出市场。三是市场与芯片定位问题；四是软硬件配合问题。

　　京微雅格则吸取早期FPGA厂商失败的经验，以研发为主体、市场为导向，在经过对国内外市场的充分调研后确定了现在的FPGA+CPU+FLASH+SRAM的Tile架构，并推出了32款产品。刘明介绍说，京微雅格的优势在于研发、销售、市场、售后全部都在中国，因此更加了解中国的市场特点和需求。下一步京微雅格已开始55纳米LP工艺CME4000产品系列的开发，计划10月开始流片。

　　而航天772所则在高可靠领域应用找到了自己的施展天地。目前高可靠领域应用FPGA市场大约在整个FPGA市场的10%-15%份额，并且每年呈现快速增长的趋势。航天772所FPGA部主任陈雷表示，目前FPGA产品已经进入了“应用为王”的时代，构建不同应用领域的平台FPGA产品是未来发展方向。面向宇航、军用及汽车等特殊领域应用，航天772所已形成百万门级高可靠和高等级的FPGA系列产品。

　　当然，虽然国内FPGA已迈出了“一小步”，但能否成为FPGA业的“一大步”，还有诸多挑战。刘明表示，目前公司遇到的最大挑战是如何让国产FPGA尽快地进入市场并得以认可，除了自身修炼内功之外，还需要国内市场持续关注国产FPGA的研发进度，带动整个使用国产FPGA的生态链发展。陈雷也指出，应借助国家重大科技专项推动国产FPGA产业发展，以产业联盟的方式构建完善的国内FPGA产业生态环境，合适地引入资本市场推动产业的发展，加强整机系统企业对国产FPGA产业的牵引作用，力争以点带面，寻求合适的特殊领域应用环境作为国产FPGA的市场切入点，形成中国FPGA的核心竞争力。