PLD/FPGA春天之降臨 網通技術帶動市場復甦

2005-04-26
PLD/FPGA由於具備靈活的彈性與製造後進行調整的功能,使得它特別適合應用在產品規格未定、需求尚未出現的產品初期發展階段或是規格動輒更替、未來方便於升級的應用領域...
PLD/FPGA由於具備靈活的彈性與製造後進行調整的功能,使得它特別適合應用在產品規格未定、需求尚未出現的產品初期發展階段或是規格動輒更替、未來方便於升級的應用領域,這又以通訊網路領域最為顯著,PLD 市場有5成是來自於通訊產品領域,在2005年後因諸多通訊新技術興起,如3G、內建WLAN模組、WAN與MAN的擴容與升級、WiMAX等將使得PLD市場邁向新的高峰。  

 

具有特殊用途的IC(內含CPU、DSP、MPEG等)的設計工作,即所謂的SLI(System Level Integration),共有ASIC(特殊元件設計製造)、ASSP(標準元件)和PLD(Programmable Logic Device,可程式化邏輯元件)三種設計方式,其中ASIC是指為特定的單一客戶所完全客製化的IC產品,ASSP與PLD則是當一個產品是針對一個特定市場的多個客戶,而不是僅針對單一客戶所開發的IC。  

PLD跟一般IC不太一樣,一般IC只針對特殊用途而設計。PLD元件都是以一個個的陣列(Array)兜成,再加上一些軟體的技術組合而成,基本上只是不斷增加IC中的陣列數目,技術便可重複加以使用,而由於10年前PLD與ASIC之間的最大容量相差100倍之多,因此PLD元件原來是給IC設計公司做先期的模擬設計之用,等產品穩定後再大量生產。  

不過,近年來由於PLD的演進速度驚人,PLD已有與過往完全不同的發展領域。十年前Altera的PLD EPF10K100當時製程為100k閘0.5微米,才短短六年後,到2002年時EP1S25 Stratix元件,製程為0.13微米,密度已經高達百萬閘以上,PLD容量上與ASIC/SoC的差異已所剩無幾。此外,正由於PLD是依循一定的標準升級,由於廠商積極於製程上的提升,晶片尺寸也大幅下降,2003年CPLD已採用0.18微米的製程,而FPGA(現場可編程閘陣列)產品則是採用0.16微米製程,新一代的FPGA產品甚至採用的是0.13微米和90奈米CMOS的製程技術,Die Size僅剩十年前的10%左右,閘密度的問題已不再是客戶質疑的重點,同時隨PLD的容量及功能不斷擴大,PLD的應用領域也開始拓展至系統級設計。  

在此同時,PLD/FPGA由於CMOS製程的進步,使得晶片的成本不斷下降。FPGA快速導入12吋晶圓製程後,部分100萬閘數的FPGA產品線已由過去30美元報價大幅降價到10美元,高階產品線閘集數則可達500萬,並提供接近ASIC設計成本的報價。平均來說,PLD每個邏輯單元平均每年降低40%的價格,價格過高也不再是發展瓶頸。加上全球各知名的EDA廠商,也推出許多很好的PLD/FPGA開發工具,軟體套件的研發也日益普及,整個應用環境已經成熟。  

而在整個PLD市場的增長方面,根據iSuppli預計,SPLD的銷售將逐年減少,在未來幾年CPLD則仍會微幅增長,兩者合計在2002年到2007年約以每年11.1%的速率減少。但FPGA元件則會快速成長,未來幾年內將超過所有其他PLD的銷售增長,達到18.2%的年複合增長率。  

PLD/FPGA逐漸侵蝕ASIC/SoC市場  

隨著PLD/FPGA的快速進步,以往5美元以上、5萬閘以上、每月用量少於5萬顆的所謂35公式畫出的FPGA應用範圍,如果一個月的出貨量達到20萬顆以上的產品,就需要開ASIC才具備經濟效益的區分方式正受到挑戰,使得原先不存在的問題開始浮上檯面,即在系統設計上開始面臨ASIC/SoC、ASSP/μControl或FPGA/PLD如何選擇的問題,尤其在2003年後,彼此之間的取代效應更加顯著。  

在成本方面,ASIC/SoC的固定成本隨著ASIC的容量增大而快速提升,尤其是光罩的部份。如今光罩的價格早已逼近100萬美元,而面對下一代深次微米製程,又要將多種IC等功能整合在同一晶片中,所需要的額外光罩製程過多,從IC設計、光罩、晶圓驗證到量產,ASIC或ASSP的開發費用至少需要100萬至500萬美元,新進或小型廠商已經很難負荷。而在產品開發時程上,ASIC/SoC的設計時間需要12-20個月,PLD/FPGA設計約在6-10個月,PLD/FPGA在時間分秒必爭的科技產品,特別是新標準快速更替的產品中,最能搶到市場先機。  

而由於PLD/FPGA與ASIC/SoC相較,擁有如彈性、上市時間、低風險與低固定成本投資等諸多優點。隨著通訊與消費性電子產品time to market的壓力日增、IC設計公司在面臨接單穩定度不足、產品少量多樣,加上PLD廠商在12吋等先進製程上的成本結構,明顯優於ASIC廠商,在成本效益與產品推出市場時機為最主要考量下,PLD元件正逐漸取代ASIC設計成為IC設計公司的新歡。尤其是在網路通訊基礎設施方面,更會因為嵌入式PLD/FPGA技術的成熟以及效能的提升,將迅速為市場所接受。  

根據iSuppli的統計,自2003年起,ASIC接獲的新設計案呈現逐年遞減狀態,相對地,PLD與ASSP則快速成長,ASIC可說遭受兩面夾擊。根據iSuppli估計,雖然目前ASIC市場規模仍有200億美元的水準,仍是PLD市場的數倍之大,但以年複合成長率來看,2003年至2008年ASIC成長率僅約為5%,PLD卻可達13~20%。  

通訊產品為PLD最大應用市場  

PLD/FPGA由於具備靈活的彈性與製造後進行調整的功能,使得它特別適合在產品規格未定、需求尚未出現的產品初期發展階段或是規格動輒更替、未來方便於升級的應用領域,這又以通訊網路領域最為顯著。通訊網路的各種長、中、短,有線、無線技術等,未標準化的規格為PLD提供發展的溫床,目前PLD市場有5成是來自於通訊產品領域(包含有線或是無線通訊)。  

在所有的通訊產品中,目前PLD的應用又以基地台、都會網、電信局端等基礎建設為主。PLD支援充裕的效能、特性、功能以及彈性,在PLD元件中,系統設計師可運用MPU、內建記憶體、多重Gigabit序列收發器以及數位時脈管理器等元件的優勢,可大幅簡化機板配線設計,並降低零組件數量,使產品更快問市。  

而自2003年後,隨著通訊產品如ADSL、行動電話、WLAN深入到一般家庭,以及資訊、消費性電子具備通訊功能使得3C進行大整合的趨勢確立,家庭網路與具通訊功能的消費性電子產品的製造商,要滿足不同規格與持續變遷的市場需求,而若將資源押在單一產品或單一通訊規格上,有可能失去成功的機會,但若要面面俱到又要考慮到成本的問題,相互衝突的規格以及缺乏明確的發展方向,促使IC業者需要PLD/FPGA作為技術橋接器。  

因此,3C產品設計需要極高的彈性以及通訊未來規格更新與擴容的需求,又需要針對特定的市場需求設計客制化產品的解決方案,正是PLD/FPGA的價值發揮所在,也開啟了另一扇應用的大門。過去透過製程技術獲利的PLD/FPGA業者,未來可將傳統PLD/FPGA的利益帶入要求低成本、多規格的家庭網路市場,特別是嵌入式PLD/FPGA市場。  

根據In-Stat/MDR的預估,嵌入式FPGA市場2001至2006的年複合成長率為191.6%,主要應用在通訊領域,未來幾年快速成長趨勢相當明顯,尤其是用在網路和電信基礎設施方面,約佔所有嵌入式PLD/FPGA出貨量的八成,其中網通市場佔最大宗的美國和歐洲將佔據超過九成的市場。  

2005年諸多通訊新技術興起 帶動PLD市場復甦  

由於網通產品佔PLD市場的比重頗高,2000年後網路泡沫化與2002年3G的延遲造成通訊產業的寒冬,也連帶使得PLD市場快速萎縮,不過這個現象除了因消費性電子應用領域的比重增加,使得與通訊產業景氣的連動性減低外,2003年行動通訊領域的回溫,使得PLD市場已經有了好轉跡象,同時在2005年後因諸多通訊新技術興起更將使PLD市場帶到一個新的高峰。  

首先3G將是PLD/FPGA最期待的通訊應用所在,尤其是WCDMA的3G市場會是PLD/FPGA最重要的成長動力。以目前3G終端產品與服務提供商的發展腳步來看,2005年下半年3G規格逐漸興起已是諸多研究機構的共識,而進階規格HSDPA也蓄勢待發,因此自2005年至2008年,3G基礎建設的設備需求成長力道將十分可觀。  

其次是2000年骨幹網路的過度鋪設,如今在終端設備逐漸數位化與寬頻網路普及的同時,已經有了頻寬消化的管道,不過當務之急是要將都會網與接取網加以升級與擴容,因此都會網路、都會區域網路、接取網路將是下一波電信市場成長的方向,而這股風潮預計將自2006年展開,2007年後更會隨著各國數位電視推動而加速。而同樣在2005年至2008年,為了消弭LAN、WAN、MAN之間的頻寬差距、支援各種新型應用與流量類型,將對半導體的技術發展形成前所未有的需求,PLD/FPGA也將成為推動這個新市場成長的關鍵技術。其次,為了打通最後一哩所發展的新技術如WiMAX,也預計會在未來三年開始普及市場,成為另外一塊新商機。  

最後則是在WLAN技術成熟後,由Centrino帶動的資訊設備內建無線通訊功能風潮,預計會持續蔓延至消費性電子,乃至於家庭網路的全面興起。尤其是消費性電子產品,佔PLD市場的比重,已由2002年的18%,快速成長至2004年的41%,而3C整合浪潮預計還會將這塊泛智慧家庭市場繼續做大。由上述三個構面來看,2003起PLD市場開始復甦,2004年穩定成長,2006年後再創高峰的推論並不讓人意外。iSuppli即預測,PLD/FPGA市場2002年為23億美元,2003年則為26億美元,預計將在2007年達到44億美元。Dataquest的預估則更為樂觀,認為PLD/FPGA市場自2001年至2008年的年複合成長率將在24%以上,筆者則以上述推論認為,樂觀看待PLD/FPGA市場應是十分合理之事。  

(本文作者任職於產業顧問公司)  

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