SRAM/Flash/反熔絲三足鼎立
FPGA業者決戰低攻耗

在現行晶片設計中，特定應用積體電路(ASIC)多為硬體核心，雖然失卻軟體核心的多元彈性，卻在降低功耗上獲得優勢。看準降低功耗對客戶所帶來的吸引力，現場可編程閘陣列(FPGA)業者也對低功耗多所著墨，並衍生出多種架構。  

儘管步入先進製程如40/45奈米可望降低功耗，不過除了賽靈思(Xilinx)與Altera以外，其他業者多半不對先進製程抱持太大興趣。畢竟跨入先進製程須要投入大筆資金，對於規模難以與前兩大業者相提並論的中小型FPGA業者來說，在製程上搶先並不適合。  

除了製程演進在近期引領FPGA話題之外，各家業者在FPGA設計架構的投入也同樣左右客戶的接受度及滿意度。由於不同的設計架構會直接影響功耗、成本與尺寸，因此也引起多方人馬混戰。  

SRAM架構受歡迎  

FPGA之所以能夠允許設計人員進行兼具低功耗與彈性設計的原因之一，是因為採用靜態隨機存取記憶體(SRAM)、快閃記憶體(Flash)或反熔絲(Antifuse)任一種方法來獲得配置資訊。但是，這三種方法都各有優缺點。舉例來說，雖然使用SRAM較為快速，但是配置的記憶體是非永久性的，電力供應一旦中斷，配置資訊也會跟著遺失。因此SRAM FPGA元件必須另外搭配一個非揮發性記憶體，才能允許系統對FPGA進行編程。但如此一來，包括尺寸、功耗與成本等皆成考驗。這類由SRAM為主之業者，如賽靈思、Altera、萊迪思(Lattice)及新興業者矽藍半導體(SiliconBlue)等皆屬之。  

圖1　矽藍半導體亞洲區總經理蘇奎錦表示，該公司之特有技術特性，不但可大幅降低功耗，亦可縮小尺寸，極為適合可攜式裝置之應用。

相較於成軍較早的賽靈思、Altera與萊迪思，矽藍半導體於2005年才正式成立，採用的技術可說是不盡相同。如最早問世的FPGA業者MMI，就以雙極可編程式唯讀記憶體(PROM)及PAL架構笑傲江湖，最後更被萊迪思收購，成為重要技術核心；成立於1983年的Altera則以互補金屬氧化半導體(CMOS)可擦除可編程邏輯元件(EPLD)/複雜可編程邏輯元件(CPLD)為主力；賽靈思則是CMOS SRAM FPGA始祖。至於矽藍半導體，則特別強調65奈米與低功耗結合所帶來的非揮發性可組態記憶體(NVCM)及標準SRAM技術。  

矽藍半導體亞洲區總經理蘇奎錦(圖1)指出，與上述業者同中求異的NVCM，主要特點在於整合NVCM專利技術與標準CMOS製程，不僅能充分利用現今CMOS技術先進的製程優勢，同時可較傳統SRAM架構之FPGA減少額外使用PROM的成本，進而實現更安全、更具成本效益的單晶片解決方案。  

據悉，NVCM可以最少的成本在SRAM式FPGA晶片內實現非揮發性可組態記憶體，較須額外增加數層光罩的傳統架構具成本優勢。另外，矽藍半導體採用最基本的查照表(LUT)和單一進位鏈，再加上選用低功耗矽智財(IP)，得以突破現今FPGA在功耗上的瓶頸。  

矽藍半導體至今推出的iCE65單晶片低功耗FPGA元件共四款，邏輯容量涵蓋二千至一萬六千個邏輯單元(Logic Cell)，可支援一百二十八至三百八十四個輸入/輸出(I/O)埠，封裝尺寸最小可達3毫米×4毫米(圖2)，最低操作電流僅25微安培，未來尚計畫採用40奈米製程，進一步達到尺寸與功耗的最小化。也因此，蘇奎錦認為，基於NVCM之FPGA產品特別適合可攜式消費性電子產品。

資料來源：矽藍半導體 圖2　矽藍半導體推出之3毫米×4毫米FPGA元件

雖然因為找到前所未有的潛在商機，被視為「值得尊敬的對手」，但也有業者對矽藍半導體的技術與市場策略，卻仍抱持不同的看法。  

萊迪思亞洲暨日本業務部門現場應用總監Rich Ford指出，NVCM確實擁有一定發展潛力，但從技術本質上來看，相較於應用在大型基地台或其他網路通訊設備的FPGA，瞄準可攜式裝置的矽藍半導體，始終脫離不了SRAM先天限制，其中包括寫入速度較為緩慢、具有寫入侷限性等，都是難以克服的挑戰。Ford舉智慧型手機為例，智慧型手機可能時常須要更新韌體，而NVCM是否能夠滿足一再改寫的需求，尚未可知。另外，Ford也同時質疑NVCM的運作速度是否跟得上今日已達Gbit/s運作時脈的手機核心處理器。  

賽靈思亞太區行銷與應用部門總監張宇清則認為，如果以出貨量來說，大型通訊設備與終端裝置的比例相差上千倍，再加上FPGA多以膠合邏輯元件(Glue Logic)角色為主，既非手機中關鍵元件，亦難抵ASIC大量出貨之優勢，因此FPGA應用於手機中之趨勢仍待觀望。  

話雖如此，包括賽靈思、Altera與萊迪思也都針對行動裝置發展適合之FPGA產品，靜態電流之典型值則約為10～30微安培不等。  

快閃記憶體評價兩極  

圖3　愛特低功耗及Fusion總監Christian Plante表示，基於快閃記憶體之FPGA元件，可輕易大幅降低功耗。

若以低功耗而言，基於快閃記憶體的FPGA產品可說是真正的佼佼者。相較於SRAM架構，採用快閃記憶體的先天優勢，就是毋須搭配非揮發性記憶體便可重覆編程，因而讓FPGA產品維持靈活性且可降低功耗。如今日業界功耗最低的FPGA產品就是採用快閃記憶體架構，可低於5微安培。將快閃記憶體奉為圭臬的則是愛特(Actel)。  

愛特低功耗及Fusion總監Christian Plante(圖3)透露，若以產品規格來看，日前由愛特推出的IGLOO系列元件，不但成本、尺寸均頗為突出，低達5微安培的靜態電流，更是業界最低，可延伸終端裝置使用壽命(圖4)。愛特產品線IGLOO和ProASIC3 FPGA部分產品成本低至49美分，尺寸亦縮小至3毫米×3毫米。  

另外，Plante也說，由於寬頻通訊的需求與日俱增，因此需要更完善的基礎設施及更先進的元件來連接網路，這也推動了元件銷售的成長。而由於基礎設備需要最高的可靠性，並避免發生單一事件擾亂(Single Event Upsets, SEU)而導致系統停機。快閃記憶體式FPGA正好符合這種高可靠性的需求。

資料來源：愛特 圖4　Flash-based FPGA運用於智慧型手機與手持式無線電之使用時間表現

但實際上看好快閃記憶體式FPGA的業者並不多。蘇奎錦認為，雖然快閃記憶體式FPGA擁有多項優勢，但仍有其問題存在。舉例來說，它的運作速度比SRAM慢，因而限制了系統性能。此外，快閃記憶體製程演進緩慢，目前仍以0.13微米為主要製程，直至2008年第四季才開始65奈米投片，也是快閃記憶體的瓶頸之一。  

Ford說，如果仔細分析愛特的營收分布將發現，快閃記憶體式FPGA並不是真正為愛特帶來收入的主要產品線，顯見客戶對此類技術並不支持。事實上，該公司對此產品線的態度，也頗令人玩味。  

愛特第三大股東Ramius於2008年11月時發表公開信(圖5)，認為愛特在低功耗、可程式化之快閃記憶體FPGA產品似有競爭力不足之疑慮，甚至希望改弦易轍，放棄此產品線，而轉向為愛特帶來最多營收的反熔絲於航太、衛星領域。直到2009年第二季財報仍未由負轉正，導致該公司飽受業界質疑。身為業界唯一投入快閃記憶體研發的FPGA業者，儘管頗具獨家優勢，但股東卻不太看好，此舉不免頗令愛特高層左右為難。

資料來源：Ramius 圖5　愛特股東之一Ramius日前發表公開信，直指持續發展快閃記憶體FPGA產品線有礙營收成長。

但面對上述疑問，Plante卻不願正面回應，他僅引述多份調查數據指出，快閃記憶體式FPGA是FPGA市場及整體系統單晶片(SoC)市場中成長最迅速的領域之一。又因為愛特是唯一提供真正快閃記憶體式FPGA的供應商，因此該公司仍可能享有長達多年的產品生命週期，並從中獲益。  

反熔絲加速低功耗發展  

同樣在低功耗領域有所著墨的，還有一派以反熔絲為主的業者。認同此種方法的業者是在每個連接點上放置一個可熔材料橋。讓原先並不導通的材料橋，在編程時加以熔化，並形成永久的導通路徑。目前以快輯(QuickLogic)、愛特等為主要支持業者。  

採用這種技術的優勢是，透過反熔絲的小接腳，使得FPGA元件即使不採用先進製程技術亦可獲得高密度，進而降低漏電。此外，該技術亦允許終端裝置在儲存裝置與系統處理器間置入一個高頻寬資料緩衝區，讓儲存裝置能快速完成讀寫，進而減少使用電源。支持反熔絲FPGA的業者透露，其使用功耗為其他SRAM式的三分之一，部分情況下甚至為快閃記憶體式FPGA的一半。  

不過，此種設計方法也有其劣勢，即其可熔式技術並不允許元件配置重覆編程。儘管近期快輯主打客戶特定標準產品(CSSP)，即由客戶自行決定需求，再透過長期累積的已驗證系統區塊庫(Proven System Block Library)打造產品。不過，快輯的新概念並未獲得大量客戶接納。  

相較於快閃記憶體式產品受到諸多批評，愛特基於反熔絲技術的低功耗FPGA系列產品由於在航太領域表現亮眼，亦已先後獲得不少訂單。  

事實上，由於國防及航太市場對可靠性和安全性要求甚嚴，而反熔絲無法重複編程的特性反而在此大受歡迎。據悉，該公司之反熔絲FPGA方案，由於具有單晶片、小尺寸、低功耗、快速上電及高保密性與可靠性等優勢，在國防與航太市場之市占率高達八成。  

從各家業者投入之技術可以看出，不但對通訊產業的看好程度將左右技術走向，在低攻耗領域是否真能獲得成果，也直接牽動市場排名與營收。而無論以何種技術作為低攻耗FPGA核心，若無法獲得客戶的認同與採納，也勢必難以在競爭激烈的通訊產業中贏得勝利。