FPGA市場 ASSP ASC ARM

提升效能/降低成本 FPGA/ARM處理器聯手出擊

2010-08-23
為提升FPGA效能,FPGA廠商不約而同選擇與安謀國際合作,雖然合作的內容各有巧妙,卻有助FPGA以更高的效能達到取代ASIC與ASSP的可能。另外,由於FPGA設計門檻較高,加上須投入較多成本,以及較長的時間才能回收,因此FPGA產業大者恆大的態勢將持續。
為兼顧現場可編程閘陣列(FPGA)效能與成本考量,加上安謀國際(ARM)核心為現階段設計工程師較為熟悉的IP架構,促使FPGA廠商與安謀國際攜手合作,近期包括愛特(Actel)、賽靈思(Xilinx)紛紛宣布與安謀國際結盟(表1),將其IP核心整入FPGA中。

由於整合安謀國際IP產品後,讓FPGA更有機會取代嵌入式處理器,而在更多設計選擇採用FPGA後,FPGA廠商欲取代特定應用積體電路(ASIC)與特定應用標準產品(ASSP)此一多年來的心願,也逐步實現。然而受限於技術門檻,以及開發FPGA所須投入的時間與成本相對較多,因此FPGA業界依然存在大者恆大的態勢。不過,新進業者則冀望以新技術、利基市場,避開與既有大廠的正面衝突,以求於市場生存的一席之地。  

拉攏安謀國際 FPGA廠商仍有歧見  

瞄準客戶需求,一馬當先與安謀國際合作的愛特亞太區總經理賴炫州表示,由於愛特鎖定工業、遊戲機等相關產業,因此低功耗與高效能多為客戶對FPGA的最大要求。過去FPGA產品已或多或少會整合處理器IP核心,以提升效能,並可彌補ASIC與ASSP的不足,但如何為客戶提供更多的產品附加價值,則是各家廠商思考的重點,因此愛特FPGA整合的處理器即等同於一顆微控制器(MCU)硬體,除了使FPGA效能可更上一層樓外,用此單顆的FPGA即可取代ASIC/ASSP外掛一顆FPGA的架構,在整體物料清單(BOM)成本上,也降低不少。  

至於FPGA廠商為何不約而同選擇與安謀國際合作,而非採用8051或其他IP核心架構,賴炫州解釋,目前亞洲地區不僅為FPGA設計重鎮,也是代工集中區域,對於安謀國際IP架構已有相當程度熟悉,安謀國際的IP市占也相對最高,因此為不增加工程師設計負擔,FPGA廠商自然採用安謀國際的IP產品,雖然台灣工程師對於8051架構也相當上手,不過受限於效能,以及x86架構已非主流,因而屏除8051架構。  

此外,安謀國際IP產品具備的低功耗特色,也是其雀屏中選的主因之一,賴炫州指出,亞洲廠商對於產品的耗電量相當敏感,Cortex-M3即主打低功耗,再加上效能具備一定水準,可符合客戶需求,因此愛特自Fusion產品即整合安謀國際Cortex-M1,新一代的SmartFusion則是採用Cortex-M3。  

賽靈思則是繼愛特之後,宣布與安謀國際合作的廠商,賽靈思亞太區市場及應用總監張宇清表示,與安謀國際合作的契機在於,賽靈思看準安謀國際在IP市場有70%以上的市占率,加上有強大的生態系統(Ecosystem)支援,而賽靈思為FPGA市場龍頭,因此兩強合作,必定能擦出更多新的火花。他進一步強調,安謀國際BUS即一款專門為賽靈思FPGA量身訂做的IP架構,此外,賽靈思並計畫於2010年第三季,完成所有FPGA IP接口皆可兼容安謀國際IP的動作,亦即催生ASI4標準誕生。  

能與安謀國際成功合作的原因,張宇清解釋,過去FPGA廠商與安謀國際合作的模式中,是以FPGA為主、安謀國際核心為輔,會導致FPGA在啟動時發生問題,現在賽靈思與安謀國際合作的模式則是角色易位,由FPGA擔任提供安謀國際核心強大DSP加速器的角色,才能做到完美的數據流通與雙方的IP兼容性,而FPGA加上安謀國際IP的組合,在長程演進計畫(LTE)、廣播的高畫質訊號處理、便攜式的醫療電子與工業應用中,皆可顯示其優勢。  

針對愛特、賽靈思紛紛與安謀國際的合作,其他FPGA廠商則有不同看法。Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞表示,在FPGA中整合一個嵌入式處理器並不非新鮮事,Altera在數年前已經非常成功在FPGA產品中整合自有的嵌入軟式處理器Nios II。  

FPGA市占第三的萊迪思(Lattice)也並未表態是否與安謀國際合作,而矽藍(SiliconBlue)則以聚焦市場不同為由,並未有計畫進一步於FPGA產品中整合安謀國際的IP核心。矽藍業務經理謝忠義表示,內建安謀國際核心的FPGA可有效減少印刷電路板(PCB)的占用面積,對可攜式裝置市場而言是可考慮的方向,不過,此整合晶片在成本上可能比外掛一顆FPGA還來的高,更何況是否可滿足可攜裝置廠商的需求仍是問號,因此目前矽藍並考慮在產品中整合安謀國際核心。  

FPGA取代ASIC/ASSP目標漸進  

FPGA廠商與安謀國際合作後,隨著整合的核心與功能模組日益增多,FPGA與微控制器的界限漸趨模糊,加上許多設計專案對靈活可編程特性的要求,為FPGA提供了更大的發展機會。賴炫州表示,藉由加入微控制器與可編程類比功能,可望拓展既有混合訊號FPGA的市場,這也意味著FPGA將在既有約36億美元市場的基礎上,再朝規模達61億美元及120億美元的可編程類比和微控制器市場發展,目前嵌入式ASSP與系統管理朝可程式開發平台發展,因此已開始導入FPGA。不過,愛特並不以取代ASIC為目標,而是思索如何以FPGA的彈性、靈活度,帶給客戶更完整的解決方案。  

羅嘉鑾則表示,隨著FPGA的功能性逐漸增加,可以預見FPGA在系統中,將開始取代獨立式的嵌入式處理器與數位訊號處理器(DSP)。以往FPGA與標準產品間的性能差距,已不再是影響的因素,當今大多數系統的瓶頸是處理視訊、音訊及資料的系統引起的輸入/輸出(I/O)頻寬。I/O頻寬的關鍵在於收發器性能,而這正是FPGA優於其他解決方案之處。而且Altera還在其Stratix IV GT產品中提供可達11.3Gbit/s的高性能收發器,並將高性能的40奈米收發器與高密度FPGA結合,進而使FPGA可真正爭取到許多ASIC與ASSP既有的市場占有率。  

羅嘉鑾進一步解釋,從過去到現在,FPGA由一個原型或即時上市元件,發展為一個低成本、大量生產的產品,這是與ASIC及ASSP等固定式矽晶片解決方案相比之下,FPGA具備的製程優勢所導致的結果。而目前尚無足夠的市場容量提供合理的投資收益,以便在最新製程節點處建構固定的矽晶片解決方案,而可編程邏輯擁有更多的市場和客戶,使其可用於最新製程節點,運用這種優勢直接與除了大量應用以外的ASIC和ASSP在各個應用市場競爭,而ASIC與ASSP正從終端系統基礎設施市場中漸漸消失,FPGA正在真正地以備選產品的角色進入市場並替代那些元件。  

萊迪思(Lattice)全球行銷副總裁Stacy Fender認為,ASSP、ASIC與FPGA各有優勢,市場也有所重疊,不過端看客戶需求與選擇。事實上,PLD廠商一直以來皆打著取代ASIC與ASSP的大旗,2009年FPGA廠商取代聲浪稍降,不過2010年又捲土重來,這是由於PLD可以提升至更高的效能,此外,在IP與軟體等皆有長足的進展,已可執行大部分ASIC的工作。  

矽藍資深應用工程師王致禹則認為,可攜式裝置中,單單一顆處理器將無法完全涵蓋所有的功能,仍須透過外掛FPGA作為補強,因此該公司將FPGA定位為輔助ASIC不足,而非取代。  

面對目前ASIC廠商宣稱產品也具備可編程的特性,對此,FPGA廠商皆認為,ASIC所謂的可編程,事實上,僅是晶片某部分可進行編程的動作,例如ASIC中也內建Flash、靜態隨機存取記憶體(SARM)記憶體,這些記憶體可重複寫入程式,也可稱得上是可編程,但相較FPGA,則其可編程的程度將難以匹敵。  

張宇清表示,許多廠商包括NEC電子(已與瑞薩合併為瑞薩電子)、賽普拉斯(Cypress)等皆投入相當多的資源在ASIC中加入可編程的邏輯或其他可達到可編程的功能的元件,使ASIC具備可編程特性,但在投入幾10億美元的成本後,卻相繼喊停,僅剩賽普拉斯仍繼續研發,究其失敗的關鍵在於軟體。由於ASIC廠商的可編程技術並非強項,因此即使於ASIC實現可編程特性,但仍有局限,可編程的形式可能僅十種狀態,相較於FPGA,仍不可相提並論。  

另外,ASIC廠商普遍認為FPGA成本依然高昂,因此將成為其取代ASIC的最大障礙,對此,Fender指出,由於FPGA內建許多收發器與邏輯閘,價格的確較ASIC貴,但是FPGA可編程的特性是ASIC無法比擬的,舉例而言,許多通訊標準不斷改變,FPGA可快速變更設計,但ASIC即受限於尺寸皆固定,以至內部架構無法修改,若是要符合新標準,往往必須重新設計並開另一顆新IC。Fender強調,事實上,蘋果iPhone 4等手機產品也開始使用FPGA,此外,數位相機、液晶電視(LCD TV)中也陸續可見FPGA的蹤跡,因此再度證明,對於生命週期較短的產品,採用FPGA將較ASIC合適。  

FPGA大者恆大態勢底定  

20多年前,FPGA廠商陸續成立,但截至目前僅剩下五家廠商,其中矽藍則是於2006年新成立的公司。對於FPGA廠商市場存活度不高,Fender表示,能否掌握軟體與IP相當關鍵。  

張宇清則認為,從25年前FPGA現身半導體產業以來,從原本的六十多家,剩下今日的五家廠商,主要原因在於,FPGA產業須累積客戶來源,加上FPGA有相當多的獨特性,因此軟體開發工具要能跟上硬體腳步,即便FPGA硬體發展再快,電子設計自動化(EDA)工具廠商不會專門為FPGA研發獨特的產品,因此在軟體的經驗累積無法一蹴可幾,若無法同時掌握軟硬體,再加上若無龐大的財力可投注於培養FPGA相關人才,則難以於FPGA業界生存。雖然過去有很多FPGA廠商擁有不錯的研發技術,但僅專注於某一應用市場,將無法在賽靈思與Altera加起來超過80%的市占中,取得更多市場商機。

賴炫州則表示,FPGA門檻高、技術與專利又掌握在大廠手中,再加上需要6~18個月的產品設計循環時間才能開始有營收,口袋不夠深的廠商,確實較難生存。  

不過2006年甫成立的矽藍,卻成功以專門設計對於低功耗有特別要求的手持式裝置切入市場,謝忠義表示,除了低功耗特色外,矽藍產品的低成本與特有的小封裝技術也相當符合可攜式產品的需求,在成本方面,矽藍的產品和ASIC相差不多,而待機時僅耗費微安培(μA)等級電流,使韓國手機廠與數位相機廠商紛紛導入矽藍的FPGA產品。  

王致禹補充,目前其他廠商尚無法真正跨入可攜式裝置市場,而此市場區隔也是讓矽藍在大廠環伺下仍得以生存的重要關鍵,然未來即便有廠商進入可攜式裝置市場,憑藉矽藍與可攜式消費性電子廠商建立的緊密合作關係,將使其無所畏懼。

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