FPGA制霸市場決勝關鍵：28納米3D堆疊及SoC系統化
2012-10-25 20:00:57 本站原創從28nm到3D堆疊，FPGA身價突然翻漲，不再是過去那個扮演配角的被支配角色。由于FPGA功能日益強大、對整個行業越來越重要，目前在許多應用中，FPGA已逐漸成為支配系統運作的主角。而現階段FPGA的三大發展方向：28納米、3D堆疊，以及SoC系統化，也成為FPGA制霸市場的決勝關鍵。
28nm FPGA和SOC系統化:FPGA廠商立足市場的兩大利器
FPGA 市場對于28納米的爭霸，已經從幾年前的藍圖布局到產品試制再到目前已正式量產，同時這也宣告FPGA真正走入了28納米制程的新階段。包括 Altera、Xilinx、Lattice在內的主要FPGA廠商紛紛端出28納米FPGA大餐，意圖喂飽市場那張饑渴的大嘴。說的夸張點，似乎28納米與FPGA劃上等號。只要擁有28納米產品，就象征了該廠家所擁有足夠的技術實力與研發創新。而端不出這道菜，似乎在市場競爭中就少了能抓住客戶胃口以及與對手抗衡的利器。
那么28納米制程的FPGA到底好在哪里呢?FPGA走入28納米制程之后，不僅功能與整合度能超越傳統FPGA。最重要的是，產品性價比也進一步逼近ASSP與ASIC。這意義在于，過去FPGA在系統中的定位，主要是協助ASIC、ASSP等核心處理器來處理數據、提供I/O擴充等功能，其定位是"配角";但走入28納米制程之后，FPGA可突破以往功耗過高的問題，成為高性能、低功耗以及小尺寸的代名詞。
再加上 FPGA廠商不斷提升IP及開發工具的支持能力，使FPGA在系統中的角色越來越重要;近年來更直接從“配角”升級為"主角"。例如最近常聽到的SoC FPGA就是一個例子。FPGA就是一個完整的系統，這也讓FPGA將取代ASIC與ASSP成為一個熱門話題，并持續在市場上發酵。
事實上，由于電路結構較為單純，FPGA一直都是率先采用先進制程的半導體元件，這也是FPGA一直能有制程技術突破的主因。而采用更新的制程技術，也讓 FPGA的功能不斷強化。回顧FPGA從1990年代取代膠合邏輯(Glue Logic)元件——2000年代試圖取代ASIC、DSP等元件——到現在2010年代，正式跨入28納米世代，其高度整合性讓FPGA一舉跨越既有的微處理器市場，將觸角伸入到高效能運算、儲存、汽車、工業控制等更廣泛的應用領域。
FPGA將替代ASIC?持久戰!
依據市調公司的研究數據來看，ASIC的確受到FPGA的沈重壓力。Gartner分析，受全球金融風暴影響，2009年起FPGA取代ASIC的趨勢更為明顯，兩者采用比重已經達到30：1。由于成本因素，許多公司紛紛延后甚至取消ASIC的設計方案。
由于FPGA提供了成本優勢，加上制程與功能上的不斷精進，讓開發者更樂于采用FPGA。傳統的FPGA優勢不外乎可編程、快速上市與低開發成本，這對于沒有高量產需求且產品規格特殊的應用市場而言，相當受歡迎。采用FPGA，讓工程師免去開發ASIC的高成本，同時能獲得ASSP所缺少的差異化，這使得軍事、工業和網通等產業，成為FPGA的主力市場。
過去FPGA因耗電與成本過高，難以打入功耗敏感與成本敏感兩大敏感市場，無法大量生產。但隨著制程不斷升級，加上各大廠商推出低價化和超低功耗產品后，讓FPGA擺脫瓶頸，直闖高量產市場。
只不過，這意味著ASIC被宣判死刑。但是，難道這就意味著FPGA從此可以躺著賺了嗎?倒也未必。盡管FPGA在功耗方面有所進步，但比起ASIC仍嫌不足，特別是在動態與靜態電源管理及漏電等問題上。此外，在高量產市場，短期內FPGA仍舊難敵ASIC既有的成本優勢。
專家就曾表示，ASIC的開發成本并不如外界所想的高，加上晶圓技術不斷進步，目前芯片設計成本已越來越低。此外，系統的開發也不單只是成本考量，性能優化、使用體驗與商業模式等，也都是關鍵。ASIC雖后有FPGA追趕，但成長動能并沒有消失。
因此，從28納米開始的FPGA趨勢，應該說，28納米FPGA把晶體管密度增加，更提升了電耗控制與設計彈性。此對ASIC和ASSP的威脅將更大，然而說會從此取代ASIC仍言之過早，畢竟28納米FPGA是否真能對市場產生決定性影響，還有待時間觀察。而這段時間，ASIC也將持續精進。因此這場戰爭并非結束，其實反倒可以期待一場新局面的開始。
3D堆疊打造異質系統
3D IC技術在市場上醞釀已久，卻遲遲停留在只聞樓梯響，不見人下來的階段。然而，3D堆疊架構對于芯片間的異質性整合，其實扮演著十分重要的角色，特別是極力打造SoC芯片的半導體設計商們。而3D堆疊的芯片整合方式，將在FPGA上率先實現。
目前FPGA廠商Xilinx在其高階元件上，已經開始采用3D堆疊架構。這也是全球首款異質的3D FPGA芯片，主要技術基礎是透過SSI(堆疊芯片互聯)，將 FPGA與收發器進行整合，這同時也是一種創新。Xilinx未來更多的FPGA產品，包括最新的ZYNQ平臺，都會采用3D堆疊的方式來設計。
Xilinx指出，盡管一般人認為3D堆疊的方式會增加封裝方面的成本，然而就合格率的角度來看，同樣面積的芯片上，有相同數量的邏輯門，若采用單一塊芯片，對比切割成更小的區塊，透過立體堆疊方式制作的3D芯片，則采用3D堆疊的方式，將會有更高的合格率。
主要原因在于，芯片上邏輯門的數量越多，芯片的合格率相對將會較難提高。以同樣面積的芯片來看，若將芯片切割成更小單位芯片，每單位的邏輯門數目相對減少，更可以提高每個單位芯片的合格率。將這些合格率更高的芯片，透過3D堆疊的方式整合在一起，堆疊后邏輯門的數量是一樣的，也就是運算效能相同。而由于每單位芯片邏輯門數目更少，生產過程合格率高，無形中將會大大降低成本。
此外，Altera亞太區工業市場開發經理江允貴也認為，采用3D堆疊，還有更多好處。透過平面的線路傳輸訊號，會花費更久的時間。如果采用垂直方式來傳遞訊號，速度將會更快。3D堆疊主要是讓單位芯片面積更小化，再采用堆疊方式來提高邏輯門密度。透過垂直的金屬互聯層傳遞訊號，等于面對面這樣的迅速，這樣FPGA的處理效能將會大大的提升。3D堆疊將非常適合低密度、多 I/O、小包裝FPGA的系統設計。
3D堆疊，無疑將成為FPGA未來征服市場的又一大利器。特別是未來FPGA將朝向SoC方向發展，透過3D立體堆疊，讓FPGA的整合之路將更為順暢。
FPGA從以前的“配角”到“主角”得益于28nm新進程的應用、3D堆疊以及SoC系統化等發展方向的確定。FPGA想要制霸市場、對市場產生任何決定性的作用，就一定得拽緊這三大“法寶”，從而繼續“抗戰”ASIC。同時FPGA廠商固然不會固步自封，就像之前FPGA市場中的28nm爭霸戰一樣，說不定以后還會出現更高層次的對壘。未來的戰場只會愈發精彩。在今后的戰場中，不然還會迸發出更為精妙絕倫的新技術、新產品和創新性思維!敬請期待!
