3G引爆彈性設計需求　FPGA獨領風騷

受到中國大陸3G商用服務於日前正式開台的激勵，以及全球微波存取互通介面(WiMAX)與長程演進計畫(LTE)等無線通訊技術快速發展的推波助瀾，通訊產業儼然已成為景氣疲弱中一枝獨秀的商機焦點。尤其在行動寬頻需求日益高漲下，更促使電信業者加緊展開新基礎建設的部署工作，同時吸引局端設備、終端用戶設備(CPE)與行動裝置等製造商競相投入新一代產品開發。  

而這些新的設備與裝置，由於須同時支援新舊標準規格，且要求快速上市與彈性升級能力，讓向來以靈活編程特性著稱的複雜型可編程邏輯元件(CPLD)與現場可編程閘陣列(FPGA)成為最大受惠者。  

通訊產業受創小　FPGA逆勢上揚  

事實上，值此景氣衰退之際，FPGA相關業者尚能不斷推陳出新、同時開發新產品的主要原因，正是通訊產業受創不深，並且對於投資毫不手軟，因而為FPGA在通訊領域的發展奠定最佳基石。  

舉例來說，在今年初開通的中國大陸3G標準，普及率不斷上揚，根據當地市調數據顯示，2009年第二季中國大陸3G手機市場整體銷量達到二十四萬餘支(圖1)，較前一季成長數倍。市調機構國際數據資訊(IDC)的最新數據亦顯示，2009年第二季全球之手機出貨量為二億六千萬餘支，較去年同期下滑約10.8%。儘管整體手機出貨量下滑，3G手機的出貨卻是爆量成長。

資料來源：易觀國際 圖1　2009年第二季中國3G手機銷售規模

雖然追求出貨量之終端產品手機多以特定應用積體電路(ASIC)為主要核心，不過由於FPGA彈性設計之優勢有助於開發可應用於多頻多模通訊技術之設備與產品，因此受到重視的程度更是有增無減。  

3G網路對3G手機來說，可說是支持3G服務實現的關鍵，因此除了3G手機出貨持續上揚之外，3G基地台的密度與頻寬也須跟上用戶數量的腳步，才能真正推動3G服務的成形。  

圖2　Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞說，為了滿足永不滿足的消費者，電信業者對於下一代通訊技術的投資也不會停歇，而這正是FPGA的發展契機。

Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞(圖2)分析，3G手機的日漸普及，也就代表了電信業者必須更審慎、同時更宏觀的看待下一代通訊技術之發展。她說，如近期在中國大陸的第三代無線通訊TD-SCDMA開始進入商用階段，加上各個設備廠商也積極研發準第四代的通訊設備，即可看出通訊業界永不停止的腳步。而FPGA由於具有高度彈性化之設計優勢，自然可在此波快速演進的潮流中搶下商機。據悉，通訊產業一向是Altera的重要利潤來源之一。

對FPGA業者來說的好消息是：現代人對各式通訊技術的需求不但讓通訊產業在此波金融風暴中受創較小，也蓄積了更多未來投資先進技術之能量。而不論是已開發國家如美國、明日之星如中國大陸，也都因為同聲看好通訊技術之重要性，而加碼投資相關領域。  

北美咬牙發展資通訊產業  

以美國為例，儘管自2007年美國爆發次級房貸風暴，再到2008年9月雷曼兄弟控股公司申請破產保護，這波讓世界各國經濟皆受到影響的金融海嘯，至今仍呈緩慢復甦的跡象，但美國總統歐巴馬在當選後很快就決定執行其政見(圖3)，強化美國資通訊產業的投資，以求帶動相關效益。諸如2009年1月發布之「透過ICT部門投資可創造新就業機會報告」，就透露將投資100億美元於寬頻網路領域。

資料來源：歐巴馬競選網站，資策會FIND整理(02/2009) 圖3　歐巴馬競選政見

歐巴馬團隊認為，施行全國性的寬頻網路部署計畫，不但可有效降低失業率，同時亦為未來各種先進加值服務鋪路，以實現遠距醫療、縮短數位落差、普及通識教育與強化國民競爭力等政見。  

圖4　賽靈思亞太區行銷與應用部門總監張宇清認為，無論是北美、中國、印度或是全球其他地區，都已陸續啟動後3G基礎建設之部署，並帶動相關商機。

賽靈思(Xilinx)亞太區行銷與應用部門總監張宇清(圖4)亦認為，通訊基礎架構的布建已是全球政府極為看重的政策方向，而發展成熟的北美，更不可能停下腳步。因此儘管北美景氣普遍不佳，政府依舊大手筆推動寬頻網路普及。張宇清說，除了北美，新興地區如中國、印度等，也都大張旗鼓發展通訊產業。  

中國大陸3G大張旗鼓  

較早起步的北美雖是全球高度發展通訊技術之所在地，但急起直追的中國大陸，其通訊實力依舊不容小覷。張宇清以今年發放的三張中國3G執照為例指出，中國政府推動TD-SCDMA不僅證實該國並未落後全球通訊技術發展，更有雄心要搶先步入4G世代。  

今年7月，中國政府啟動3G第三期與第四期之基礎建設招標，並逐步將3G基地台從一級城市向外輻射發散，粗估基地台數量將達數百台甚至上千台之譜。隨著3G基地台布建工作陸續起步，由於FPGA特別適合新問世且全面IP化之新一代通訊技術標準，因此也被張宇清與羅嘉鸞視為未來之商機所在。  

張宇清進一步解釋，包含TD-SCDMA在內之多種通訊技術，由於問世時間尚短，亦非大量普及應用，因此特別適合FPGA以高度彈性化之特性，快速滿足新興市場之所需，進而打造適合之通訊設備。  

LTE/WiMAX添柴薪  

此外，除了從地域來看，若從技術類別來看，各國政府對次世代通訊產業的投資並未手軟，次世代通訊技術也確實搶占不少目光。  

然而，儘管LTE與WiMAX兩大技術在標準、規格上還在緊鑼密鼓的籌劃與發展中，卻因為蘊含龐大的商機而被業者們視為兵家必爭之地。  

舉例來說，中國大陸在今年6月時啟動WiMAX進城計畫，並在三十三個城市推動「平安城市」計畫，將採購人民幣千億元(約新台幣5,000億元)，數十萬套的訂單數量，已經顯露了WiMAX蘊含的商機。  

而LTE生態亦已逐步成形，除全球超過十家電信營運商先後表態將在2010年推出LTE商用服務外，香港在年初時已發出三張LTE執照、易利信(Ericsson)和Telia Sonera在瑞典斯德哥爾摩啟動了全球首座LTE商用基地台，在在顯示LTE發展方興未艾。  

而不論是WiMAX或是LTE的抬頭，都有助於FPGA在先進通訊技術中搶先站穩腳步，同時引爆新一波4G商機。  

ASIC架構漸不符需求  

而為了因應通訊市場瞬息萬變的演進，以及各式通訊技術不停朝向更高階發展，FPGA的演進也極為迅速，不但朝向更高製程邁進，其他包括產品線的規畫、尺寸與功耗的要求，還有軟體環境的配合，都牽動FPGA業者在通訊產業的市占變化。  

圖5　萊迪思亞洲暨日本業務部門現場應用總監Rich Ford透露，今日ASIC與FPGA之占比已產生變化，尤其在次世代無線通訊領域更是FPGA的天下。

而原大量普及的ASIC，雖不會被FPGA完全取代，但受到成本、製程與上市時間的演進，再加上終端產品從「單一產品、大量出貨」逐漸質變為「多元產品、小量出貨」，將導致ASIC在產業中的角色逐漸黯淡。  

萊迪思(Lattice)亞洲暨日本業務部門現場應用總監Rich Ford(圖5)說，相較於其他產業，以電信業者為主的通訊產業活動力可說相當旺盛。而又因為今日的電信業者多半希冀趁此景氣低迷之際加碼投資，因此儘管多項通訊技術未臻成熟，電信業者投資力道依舊持續，更進而帶動「FPGA上、ASIC下」之趨勢。  

針對ASIC的市場發展，張宇清透露，如果以成熟穩定的市場來觀察，諸如消費性電子、家電等應用，自然是ASIC的天下。不過，由於ASIC有幾項劣勢，卻可能是FPGA得以在此出頭的機會。舉例來說，ASIC雖然出貨量大，但多半是針對單一客戶，不像FPGA的彈性設計可應用在不同的客戶群中。其次，由於固定化設計的特性，一旦市場規格或需求發生改變，ASIC即有可能遭到廢棄。  

Ford分析，雖然從總體數值來看，包含FPGA在內的PLD仍難與ASIC相比(圖6)，但若細看通訊產業，近年來陸續布建之通訊設備與基礎建設，仍有往FPGA靠攏之趨勢。也因此，Ford認為，未來此一趨勢仍將持續，並為FPGA業者帶來更多營收。

圖6　2008年半導體類型與產值占比

資料顯示，多年前的基地台成本約為25萬美元，而新型基地台成本可能落在1萬5千至2萬美元之間，且因為今日基地台可能須要同時支援多種標準，因此設計人員也就必須因應此需求而做好準備。  

雖然亟欲跟上這股無線通訊的採購熱潮，但運用在基地台上的ASIC數量由於難與消費性電子相比，因此成本反而居高不下，並且造成ASIC對各類基地台設備業者的吸引力不斷下降。另外，單一65奈米ASIC光罩價格約為150萬美元，而45奈米光罩價格幾達兩倍，也是讓相關業者卻步的原因。相較而言，FPGA快速演進的製程，就成為吸引客戶的一大祕密武器。  

先進製程兩面刃　成本/效能難抉擇  

從2008年5月開始，FPGA兩大龍頭Altera與賽靈思就先後推出40/45奈米製程高階FPGA晶片產品，並引起一波高階製程產品追逐戰。至今兩家業者已經推出合計超過六款先進製程產品線，也顯露業者對先進製程的後勢頗為看好。  

最早在業界推出40奈米製程產品的Altera，雖然一度被質疑是因為在65奈米階段無法和競爭對手賽靈思相提並論，因而提早進入40奈米階段。但該公司搶先發布、並於2008年12月開始提供40奈米FPGA晶片產品，確實在業界掀起一陣波瀾。該款引起業界目光的FPGA產品系列Stratix IV，乃針對通訊、廣播、測試、醫療和軍事等各類市場的客戶而問世。  

羅嘉鸞透露，在競爭激烈的環境下，各個廠商在提高系統頻寬的同時，還要維持或減小設備的尺寸，並同時考慮訊號完整性和降低功率消耗等問題。另外，儘管設備複雜度增加，但仍須要縮短產品上市時間、進而控制成本，均是不可輕忽的問題。因此，支持先進製程的業者均認為，隨著製程往前邁進，上述問題將可迎刃而解。相較於前一代65奈米的Stratix III系列，Stratix IV不僅邏輯密度增加兩倍，且可降低約50%的功率消耗。因而成為Altera下一波攻城掠地之主力。  

而繼Stratix IV GX後，Altera又再推出40奈米製程Stratix IV GT、Arria II GX系列，分別搶進最高階與低階低成本應用市場，顯見對先進製程市場勢在必得之企圖心。  

不讓Altera專美於前，賽靈思也已急起直追，除了已於2009年2月推出採用40奈米製程、針對無線/有線通訊、廣播、航太與國防等高效能應用的新一代Virtex-6系列FPGA以為因應外，亦同時推出採用45奈米之Spartan-6系列，主打消費性、汽車、監控、無線及其他成本敏感度高的市場。從產品規格來看，兩大廠不但均以40奈米為最先進製程，最高電晶體傳輸速率亦同為11Gbit/s。  

不過，還將主要製程停留在90奈米的萊迪思，對於兩大龍頭競逐先進製程倒是不表認同。Ford指出，雖然近年由日本、中國大陸為首帶動的通訊技術升級確實引領大筆訂單需求；但原先由阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、諾基亞西門子(Nokia Siemens)與易利信(Ericsson)主導的網通設備市場，在面臨中興、華為等業者的崛起後，也同時正式進入價格戰。他認為，儘管先進製程確實有其優勢，但在成本仍與90奈米、甚至130奈米相去甚遠的前提下，實際採用40/45奈米產品的客戶仍不會太多，而先期投入成本亦可能直接轉嫁至客戶身上。  

Ford強調，與其不斷推出先進製程產品，不如針對客戶推出真正滿足需求之產品，才有實際效益。近期萊迪思推出之產品多以90奈米與130奈米為主要製程。  

進入門檻高　後進者力有未逮  

弔詭的是，儘管PLD受到通訊產業的帶動，發展後勢更是頗為看好，但卻少見新秀跟進。一般認為，由賽靈思、Altera、萊迪思與愛特(Actel)等四大業者所形成的進入障礙，是後進者難以跨入的一大主因。  

龍頭地位牢不可破  

根據2008年第一季可編程元件市場占有率(圖7)來看，賽靈思均以逾半的比例壓倒性獲得勝利。而再看2009年最新一季財報，賽靈思的營收約為3億8,100萬美元，亦大幅領先其他同業如Altera的2億7,900萬美元、萊迪思及愛特的4千餘萬美元。

資料來源：iSuppli 圖7　2008年第一季可編程元件市場占有率

張宇清說，如果從近30年前FPGA技術的發跡來看，最早發展此項技術之一的賽靈思毋庸置疑居於領導地位。而隨著研發資源與時俱進，賽靈思位居產業龍頭的態勢更加難以動搖。據了解，賽靈思每年均提撥年營收20%做為研發經費，而以賽靈思過去數年全年營收約15億美元計算，每年研發金額約為3億美元，而這個金額甚至遠遠超過其他同業的全年營收。張宇清認為，這也是賽靈思能獨步全球的重要關鍵。  

各有所長闢藍海  

提及FPGA的歷史發展，就不能忽略在FPGA發展30年中陸續問世的新創公司，遺憾的是，這些超過六十家的新創公司，正因為無法與先進入者相抗衡，最終皆難逃遭購併或是關閉的悲慘命運，如Ambric及Mathstar都是前例。  

Ford透露，上述六十餘家業者最終以失敗告終的最大原因，除了資金難以與先行者相抗衡之外，就是難以跳脫既有業者的產品框架。Ford進一步解釋，在強弱不均的環境下，相對小型的業者早已習得見縫插針的真諦，不論是瞄準競爭對手不符成本效益的領域下手；或是推出完全不同的設計架構，才有可能在市場夾縫中存活。也因為相關領域多已被陸續開發，後進者要再找到新藍海的機會，幾乎微乎其微。  

以目前產品規畫來說，從賽靈思與Altera競逐40/45奈米先進製程可以看出，兩者多瞄準高階市場。而萊迪思在2008年9月組織重整後，即以中、低階產品為主流，同時力求低價。而與萊迪思互爭市占第三多年的愛特，則以快閃記憶體(Flash)架構與競爭對手區隔。  

至於快輯(QuickLogic)也因為不願在競爭激烈的FPGA產業打轉，已在2008年時改以客戶特定標準產品(Customer Specific Standard Product, CSSP)為產品主力，期盼將客戶的需求結合該公司的平台，提供快速的產品設計與出貨。該公司宣稱，以往使用ASIC可能要數個月才能達成的工作，使用CSSP只要數分鐘就能完成。  

值得一提的是，雖然FPGA產業難見新進業者加入，但近期仍偶有業者挑戰此領域。如創立於2005年的矽藍半導體(SiliconBlue)，就專門瞄準FPGA在手持裝置上的發展。這家新創公司的高階經理人，幾乎全數擁有在賽靈思、Altera、萊迪思等公司工作的經歷，而該公司策略營銷副總裁John Birkner更是快輯的創始人之一。  

矽藍半導體是首家推出以台積電65奈米低功耗(Low Power, LP)製程技術結合低功率、非易失性配置存儲器(NCVM)及標準SRAM技術的FPGA廠商。Birkner透露，該公司將以手持式裝置為主要營運方向。這家產業新兵能否在FPGA業界打下一片江山，值得觀察。  

另一家公司成立甫滿兩年的生力軍Achronix，也是業界關注的目標之一。這家獲得8,600萬美元資金挹注的業者，已經在2008年12月推出號稱是全球速度最快的FPGA產品，並運用該公司專有的非同步技術達到1.5GHz的峰值吞吐量。  

Achronix總裁兼首席執行官John Lofton Holt表示，該公司的最初目標市場為電信、網路、數位訊號處理、測試與測量、高性能運算和安全/加密等領域，但不打算和賽靈思或Altera進行直接競爭。  

從FPGA各家業者的動態可以看出，隨著3G日益普及，不但既有業者必須不斷推陳出新，新進業者則須後發先至，才有生存空間。