ot;display: block;">作者：張國(guó)斌
如果你想了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)，你必須得了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)里的主流廠商的動(dòng)向，如果你想了解這些主流廠商的未來(lái)，你必須和他們的CTO交流了解他們?cè)谧鍪裁礃拥漠a(chǎn)品規(guī)劃。從1984年全球第一顆FPGA誕生到現(xiàn)在，F(xiàn)PGA的應(yīng)用日益廣泛，那么，F(xiàn)PGA未來(lái)將有什么發(fā)展？它將給我們的生活帶來(lái)什么革命性的新應(yīng)用？它給未來(lái)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)什么影響？在電子工程專輯網(wǎng)站對(duì)Xilinx的CTO Ivo Bolsens的獨(dú)家專訪中，你可以尋找到答案。
未來(lái)的FPGA
“到2011年，半導(dǎo)體制造工藝將采用32nm節(jié)點(diǎn)，芯片制造商可以制造包含數(shù)十億個(gè)晶體管的單芯片產(chǎn)品，而采用這種工藝的FPGA會(huì)包含一億個(gè)可編程邏輯門，而且FPGA平臺(tái)會(huì)采用創(chuàng)新的封裝技術(shù)將存儲(chǔ)器、模擬混合信號(hào)電路、通用接口、傳感器、各種I/O集成到一起，這樣的FPGA會(huì)成為許多電子產(chǎn)品的核心。” Bolsens強(qiáng)調(diào)。
他以具體的數(shù)據(jù)來(lái)證明這個(gè)推測(cè)，“從1999年到現(xiàn)在，現(xiàn)在的FPGA和99年的相比，成本降低了500倍，容量提高了200倍，功耗降低了50倍，速度加快了40倍。我們預(yù)計(jì)到2010年，F(xiàn)PGA的價(jià)格會(huì)降低5倍，容量會(huì)增大5倍，速度提高5倍，在單位功耗上會(huì)有更多的功能，從這個(gè)趨勢(shì)可以看出未來(lái)FPGA的價(jià)值會(huì)越來(lái)越高。目前FPGA已經(jīng)用于各種各樣的應(yīng)用。在最新的Virtex5的器件里面有10億以上晶體管，除了可以編程以外還有很多硬核在里面，例如最新的PCIe總線和高速以太網(wǎng)的總線等，還有高速串行收發(fā)器以及成百的DSP模塊。”
實(shí)際上，這樣的FPGA已經(jīng)演變成一種可編程系統(tǒng)平臺(tái)，他稱之為“虛擬SoC”。
他表示這樣的FPGA甚至集成光器件，因?yàn)槟菚r(shí)的FPGA不僅處理能力很強(qiáng)大，還因?yàn)榧傻男酒姸啵枰獋鬏敻咚俚男盘?hào)（可達(dá)Gbps水平），所以自然需要光器件來(lái)傳輸信號(hào)。所以Xilinx未來(lái)會(huì)考慮將光器件也集成到FPGA里面。
當(dāng)然，他也表示，F(xiàn)PGA將繼續(xù)集成更多的DSP硬核，以應(yīng)對(duì)3G、高清安防、高清視頻的需求。目前，在Xilinx Virtex5中已經(jīng)集成了640個(gè)DSP slice硬核，可以在550MHz頻率下達(dá)到352GMAC的性能！未來(lái)，F(xiàn)PGA的DSP處理性能會(huì)更高！
伴隨這些激動(dòng)人心的性能提升的同時(shí)是FPGA價(jià)格的大幅度降低，Bolsens表示：“我們預(yù)計(jì)在2010年的時(shí)候50萬(wàn)個(gè)門的價(jià)格會(huì)在1美元左右。”由此，必然引發(fā)產(chǎn)業(yè)在設(shè)計(jì)上出現(xiàn)變革，“我們的客戶可以直接做非常復(fù)雜的SoC，而不用擔(dān)心價(jià)格上的挑戰(zhàn)。客戶可以把它的精力集中在真正的價(jià)值附加上，比如體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件以及系統(tǒng)驗(yàn)證上面，這其實(shí)是我們客戶的價(jià)值所在，這會(huì)給半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)一個(gè)新的演進(jìn)。”
回顧歷史，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逐步走向細(xì)化，70年代的半導(dǎo)體公司包攬了設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，到80年代，EDA軟件和FPGA興起，讓一部分工作外包，到90年代，代工業(yè)興起，再次讓芯片制造外包。“大容量大規(guī)模高度復(fù)雜FPGA的引進(jìn)使這個(gè)產(chǎn)業(yè)再次分化，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)行業(yè)又分離出來(lái)了，而一個(gè)公司真正要做的就是對(duì)設(shè)計(jì)的特性定義和對(duì)系統(tǒng)的定義。”他表示。
這樣的發(fā)展也必然引發(fā)設(shè)計(jì)方法學(xué)的變遷，Bolsens 預(yù)測(cè)：“今后軟硬件可編程性最終會(huì)合到一起，這個(gè)也是我們賽靈思后面發(fā)展的重點(diǎn)之一。就是讓大家最后用FPGA的時(shí)候感覺(jué)起來(lái)就像在用軟件一樣。”
在最近參加一次Altium公司的研討會(huì)上，(Altium中國(guó)深圳路演，推廣嵌入式開發(fā)新概念)我們注意到Altium公司的最新產(chǎn)品Altium Designer6.8已經(jīng)增加了很多新功能，基本可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)開發(fā)，就是開發(fā)人員只要提供系統(tǒng)的框圖，該工具就可以實(shí)現(xiàn)最終的電路。所以Altium公司的技術(shù)人員宣稱：“任何不懂FPGA的人員，只要經(jīng)過(guò)半天培訓(xùn)就可以熟練進(jìn)行開發(fā)！”顯然，這是FPGA應(yīng)用開發(fā)的一大進(jìn)步！“通過(guò)FPGA，可以真正實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)！” Bolsens這樣強(qiáng)調(diào)。
器件以及開發(fā)工具的發(fā)展都是為最終應(yīng)用服務(wù)的，新一代的FPGA可以為我們帶來(lái)哪些激動(dòng)人心的應(yīng)用呢？Bolsens表示：“融合了話音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)的三重播放（Triple-play）業(yè)務(wù)是未來(lái)FPGA的用武之地。”他進(jìn)一步解釋說(shuō)：“要實(shí)現(xiàn)三重播放，其技術(shù)推動(dòng)力來(lái)自于三個(gè)方面。第一數(shù)字信號(hào)處理，它是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的，第二是包處理，也就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，最后一個(gè)推動(dòng)力就是高速運(yùn)算，它是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的。這三個(gè)技術(shù)使三重播放從可能變成現(xiàn)實(shí)。在實(shí)現(xiàn)三重播放方面FPGA擔(dān)任了非常重要的角色，三重播放基礎(chǔ)設(shè)施的支持主要是由我們高端器件來(lái)支持的。而且三重播放涉及到眾多的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，這也是適合FPGA來(lái)完成。”
新的FPGA帶來(lái)的另一個(gè)應(yīng)用就是可重構(gòu)系統(tǒng)（Reconfigurable System），這個(gè)誕生于上世紀(jì)五六十年代的概念由于受到硬件等諸多方面條件的限制，直到上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)逐漸成形并成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)在隨著FPGA器件的發(fā)展，這個(gè)構(gòu)想終于可以實(shí)現(xiàn)了。“美國(guó)一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于可重構(gòu)技術(shù)的產(chǎn)品！”美國(guó)楊百翰大學(xué)(Brigham Young大學(xué)(BYU))電機(jī)與計(jì)算機(jī)系副教授Michael J. Wirthlin表示。
不過(guò)目前這項(xiàng)技術(shù)還主要應(yīng)用在軍事和航天領(lǐng)域，如美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃署（Darpa）項(xiàng)目官員就把美國(guó)國(guó)防部目前所使用的嵌入式計(jì)算項(xiàng)目描述為“靜態(tài)”的，它依賴基于固定架構(gòu)的、已將現(xiàn)有軟件性能發(fā)揮到極至的硬件驅(qū)動(dòng)型“點(diǎn)方案("point solutions)”。一份Darpa項(xiàng)目這樣描述道：“靜態(tài)方式缺乏滿足動(dòng)態(tài)任務(wù)要求的多樣性，其所導(dǎo)致的性能下降或差強(qiáng)人意的匹配處理性能結(jié)果將損害我們的戰(zhàn)斗力。” Darpa認(rèn)為可重構(gòu)處理器或可重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)是解決這個(gè)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。
Wirthlin表示目前可重構(gòu)系統(tǒng)的成本還比較高，還難以應(yīng)用到消費(fèi)電子領(lǐng)域，但是未來(lái)，在消費(fèi)電子中采用這個(gè)新技術(shù)是完全可能的。Bolsens也表示可重構(gòu)系統(tǒng)可以重構(gòu)硬件功能，但是對(duì)FPGA來(lái)說(shuō)，重構(gòu)系統(tǒng)意味著要下電重新啟動(dòng)電路，這對(duì)FPGA是一個(gè)挑戰(zhàn)，但是我們可以換個(gè)形式實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)，例如目前在可重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)例子是軟件定義無(wú)線電，用FPGA去實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平。他強(qiáng)調(diào)FPGA是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)的最佳器件。
Bolsens表示新的FPGA也給設(shè)計(jì)人員的帶來(lái)一些挑戰(zhàn)，就是設(shè)計(jì)人員不但要了解FPGA的具體結(jié)構(gòu)，還要具備系統(tǒng)級(jí)的開發(fā)概念，也要了解軟件方面的知識(shí)。 在這方面Xilinx一直和合作伙伴在努力幫助設(shè)計(jì)人員克服這些設(shè)計(jì)條挑戰(zhàn)，他表示未來(lái)Xilinx要推出一個(gè)交鑰匙的方案，比如在視頻、無(wú)線方面都能夠提供解決方案。在交鑰匙方案的基礎(chǔ)之上再根據(jù)市場(chǎng)要求，做一些市場(chǎng)定制的平臺(tái)，例如針對(duì)汽車電子所做的專用平臺(tái)等。即從通用應(yīng)用到垂直應(yīng)用都覆蓋。他也透露Xilinx將以開發(fā)更多參考設(shè)計(jì)和開放源代碼的形式支持設(shè)計(jì)人員的開發(fā)，目前Xilinx已經(jīng)在中國(guó)各大學(xué)加強(qiáng)大學(xué)計(jì)劃推廣，并推出了供設(shè)計(jì)人員交流開發(fā)源代碼的專門網(wǎng)站。去年，Xilinx推出了旨在鼓勵(lì)FPGA創(chuàng)新的7500萬(wàn)美元基金，已經(jīng)收到了良好的效果，他透露目前Xilinx在和包括清華大學(xué)在內(nèi)國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和創(chuàng)新公司進(jìn)行合作洽談
