雲與端各有斬獲　FPGA業者分食通訊大餅

現場可編程閘陣列(FPGA)廠商通吃雲與端市場商機。近期物聯網(Internet of Things)機器對機器(M2M)應用蓬勃發展，促使無處不在的寬頻網路世界逐漸成型，也加深雲端運算(Cloud Computing)的發展與落實。

瞄準雲端商機，FGPA廠商分別以先進製程、新的封裝方式，以及高整合度的產品，全力布局雲與端。並希冀透過更完整的參考設計與開發工具，讓通訊相關工程師擴大採用FPGA，從而取代更多特定應用標準產品(ASSP)與特定應用積體電路(ASIC)方案。

雲端商機誘人　FPGA廠商群起攻之

雲端商機包含遠端的通訊設備，以及用戶端的行動裝置等。市調機構IDC預期，由於雲端的發展持續火熱，預估從20122015年這段期間，全球將新增將近一千四百萬個雲端運算相關工作，其中大約有半數是落在中國大陸、印度；而2015年雲端相關設備年度銷售額將達到1兆1,000億美元。

如此龐大的商機，吸引FPGA廠商積極投入，其中賽靈思(Xilinx)與Altera專注於遠端雲如網通設備、寬頻網路骨幹等領域；萊迪思(Lattice)則專攻行動裝置終端市場；而美高森美(Microsemi)則是著重在微波與航太領域。由此可見，在通訊領域中，FPGA業者各自分工，通包雲端商機，而通訊領域也為FPGA業者創造相當大的營收來源。

圖1　賽靈思亞太區銷售及市場副總裁楊飛表示，在無線通訊設備的設計架構上，採用高整合度FPGA也可簡化設計架構，同時節省功耗與成本。

賽靈思亞太區銷售及市場副總裁楊飛(圖1)表示，具聯網功能的智慧型手機、平板裝置(Tablet Device)與物聯網越來越普及的態勢下，無所不在的寬頻通訊和巨量資料的傳輸，驅動整體IT產業轉朝網際網路發展，不僅帶動長程演進計畫(LTE)此一行動寬頻通訊技術的商機，也讓相關網通設備對更高效能及傳輸速率、更小尺寸和低成本的元件需求逐一顯現。

然而目前ASIC與ASSP已無法依循摩爾定律(Moore's Law)透過先進製程達到節省成本的目的。根據Gartner統計資料顯示，28奈米(nm)製程的ASIC與ASSP研發成本，是45奈米的兩倍(圖2)，對於許多公司而言，將無法承受翻倍成長的製程費用；再加上通訊標準日新月異，元件在設計過程中無法重複修改，又是額外的成本支出，不過FPGA卻可解決上述問題。

資料來源：Gartner 圖2　各製程節點所須花費的成本比較

因此FPGA在通訊領域已展露頭角，且網通設備導入的FPGA元件數量正持續攀升。楊飛指出，雖然無法進一步精算各類網通設備中採用的FPGA顆數，但各種網通設備對於FPGA的需求量確實不斷升高，從賽靈思總體營收來看，有線與無線通訊領域無疑是貢獻該公司營收最大的來源，約占4347%。

Altera於7月剛公布的財報則指出，該公司第二季包括40奈米和28奈米新產品的銷售繼續增長，約在30%以上。以28奈米高性能旗艦產品Stratix V來看，其連續增長高達190%，主要來自於通訊領域的需求。

值得注意的是，為強化通訊領域的市場範疇，提供功耗與價格更易接受的FPGA元件，各家FPGA廠商亦進行一連串的技術演進，以期可站穩一席之地。

不再是配角　FPGA SoC躍升系統等級

為打破FPGA僅能擔任整體通訊系統中增加邏輯角色的現況，提升FPGA處理的效能，並整合FPGA與處理器硬體核心已成大勢所趨。包括賽靈思與Altera近期相繼推出FPGA系統單晶片(SoC)的產品。

楊飛表示，在FPGA中整合處理器核心，增加處理的效能後，再融合周邊的數位與類比電路，可讓FPGA元件躍升為通訊設備中電子系統的核心，而不再只是輔助處理器的配角。業者即可利用FPGA SoC進行系統整體設計與編程，且更具成本優勢，對於推展FPGA於通訊市場的發展，將有一定的助力。

圖3　Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞表示，未來將處理器放入FPGA會成為未來一大發展趨勢，且FPGA會占晶片面積不到50%。

Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞(圖3)表示，該公司於2011年啟動的OpenCL計畫，為矽晶片融合的技術。由於工程師需要高速運算功能開發系統，然而單核心或者多核心中央處理器(CPU)無法實現其需求，因此OpenCL標準受到系統規畫、工程管理、演算法設計和軟體工程師的歡迎。

透過OpenCL開發專案，OpenCL的優勢已不僅實現在繪圖處理器(GPU)上，而是進入FPGA大量的平行功能中，提高異質架構系統的加速功能，並降低功耗，且讓產品能夠更迅速上市。

OpenCL帶給FPGA設計人員的優勢包括更快的性能，亦即使用GPU或者FPGA加速設計或應用；透過使用標準模型，包括語言、應用程式介面(API)、記憶體層次等進行設計。換句話說，對現有FPGA用戶而言，可在目前的C語言中對演算法進行模型建立，然後轉換到HDL中，加速產品上市。更重要的是，與採用GPU的異質架構系統相比，FPGA SoC功率消耗為五分之一。

羅嘉鸞認為，FPGA在經過從上世紀90年代到2000年的快速發展、隨後短期的泡沫破裂，以及近幾年的平穩增長的發展階段，未來矽晶片融合將是大勢所趨。

事實上，通用處理器同樣可透過軟體編寫程式實現不同的應用，使用非常靈活但同時功效較低；ASSP和ASIC等專用晶片透過固定化硬體針對專門應用，無法進行程式設計，功率效益高但靈活性差。

羅嘉鸞指出，矽晶片融合的FPGA在「微處理器+數位訊號處理器(DSP)+專用IP+可程式設計」的混合系統架構下，可以解決上述的兩難問題，又能兼顧靈活性和效率。

透過先進製程技術，FPGA得以從配角轉為主角，但這並不表示FPGA將取代CPU或處理器。楊飛強調，FPGA與處理器應用的環境仍大不相同，FPGA SoC是將周邊子系統進一步整合，簡化整體設計架構，不過在要求小型化與低功耗的嵌入式系統(Embedded System)中，具備成本優勢和提升至系統等級的FPGA將有更大發揮空間。

3D IC/28奈米先進製程扮推手

分析FPGA SoC可具備高效能、低功耗與小尺寸特性的原因，先進製程技術實為關鍵。楊飛表示，FPGA在製程技術的發展已較ASIC與ASSP快速，目前包括賽靈思與Altera等FPGA業者已導入28奈米製程並陸續進入量產，且也開始採用三維IC(3D IC)技術將異質晶片整合為SoC。

據了解，賽靈思與Altera皆與台積電合作，研發並生產28奈米FPGA。其中賽靈思採用28奈米高效能低功耗(HPL)製程進行3D IC產品的研發；Altera則利用台積電晶片-晶圓-基底(CoWoS)整合製程，開發異質混合3D IC測試平台，包括前端製程技術，以及後端裝配和測試解決方案，用以確保產品的良率和效能。

透過3D IC與28奈米技術，賽靈思與Altera將可提供效能更高，系統功耗、成本更低，尺寸更小的產品予客戶，進而滿足通訊市場的要求。

楊飛舉例說明，行動寬頻網路的發展直接帶動後端骨幹網路頻寬需求提升，目前光傳輸網路(OTN)設備中，傳統CFP裝置為10G×10G收發器接口，最多能做到四個CFP的400G密度，功耗為600瓦(W)。若以現有的架構進行設計，需要包括ASSP、接口控制晶片、FPGA與媒體存取控制(MAC)共五顆晶片，才能完成。

不過，採用賽靈思8月甫供樣的Virtex-7 H580T高整合、利用3D IC技術的單晶片方案，僅須一顆FPGA SoC產品即可達到相同效能，但功耗與成本僅須三分之一，還可節省1年開發時間(圖4)。但為滿足通訊業界對頻寬的需求，新一代CFP 2規格則須將串列與解串列器(SerDes)提升至4×25G，密度將從既有的400G提升一倍至800G，則須兩顆H580T FPGA。

資料來源：賽靈思 圖4　透過高整合度FPGA簡化4×25G OTN系統設計

楊飛並透露，賽靈思2013年第一季將發布的下一代產品Virtex-7 H870T，擁有28G十六路與13G七十二路的SerDes兩種規格，將可更加簡化系統設計，以因應20142015年CFP 2 800G OTN規範的龐大市場需求。

市場策略重新定調　萊迪思轉攻消費性電子

相較於賽靈思與Altera專攻網通設備，布局遠端「雲」市場，萊迪思則鎖定消費性電子，亦即「端」的部分做為未來主要發展重心。在購併矽藍(SiliconBlue)後，萊迪思將市場發展重心自過去著重的通訊領域，調整為消費性電子；而矽藍iCE產品也將成為日後主要推展重點，以避免在通訊領域與Altera、賽靈思正面衝突。此外，萊迪思近期也與聯電於40和28奈米(nm)製程進一步合作，以提供更具低功耗與低成本特性的FPGA。

圖5　萊迪思企業行銷副總裁Doug Hunter表示，為強化消費性電子市場地位，萊迪思與應用處理器廠商如高通，維持密切的關係，讓FPGA產品可有效輔助處理器。

事實上，過去萊迪思在通訊、影音視訊、汽車與消費性電子，皆投入不少資源耕耘；但隨著矽藍的加入，該公司在消費性電子領域的產品陣容已更為厚實。萊迪思企業行銷副總裁Doug Hunter(圖5)表示，在合併矽藍後，萊迪思的產品方案可較其他FPGA廠商產品，更能滿足消費性電子領域日益嚴苛的低功耗、小尺寸與低成本要求，因而萊迪思毅然決定轉而將更多的發展資源放到消費性電子，與其他FPGA廠商進一步區隔。

除收購矽藍外，為提供消費性電子市場更低功耗與更小尺寸的產品，萊迪思下一代產品也將挺進28奈米製程。Hunter坦言，矽藍特有的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程技術相當成熟，萊迪思既有的FPGA雖整合嵌入式快閃記憶體，擁有較高的效能，但記憶體的製程演進無法如CMOS快速，因此在降低成本與尺寸上，限制較大。有鑑於此，未來萊迪思將善用矽藍CMOS製程技術，發展更小、更低功耗與成本的產品。

值得注意的是，先前矽藍40奈米iCE產品是由台積電代工，不過，未來萊迪思將把現有台積電生產的產品全數轉由聯電製造。Hunter強調，由於矽藍製程技術可更加滿足消費性電子所需，未來萊迪思與聯電的合作將聚焦40奈米和下一代的28奈米的iCE系列產品；而轉由聯電代工的新產品，也將廣泛應用到萊迪思各目標市場。至於萊迪思現有的產品，也將持續給予客戶支援。

構建全可編程時代　參考設計為另一關鍵

為擴大FPGA應用範疇，加速取代ASIC與ASSP，進一步落實全可編程時代，FPGA廠商不僅在FPGA中整合處理器、採用更先進製程，更持續降低FPGA元件的成本與功耗，並推出更易用的參考設計與開發套件。

Hunter指出，萊迪思將開發更多低功耗、成本的產品，以及參考設計、開發套件等產品，讓工程師更易接受並轉用FPGA。此外，為強化FPGA處理效能與控制能力，未來，萊迪思亦計畫將產品整合8051或32位元微控制器(MCU)。

羅嘉鸞則表示，設計軟體是實現FPGA中硬體可程式設計功能的關鍵工具，因此FPGA廠商皆大量投入研發，讓軟體工具效率更高、更可靠，且讓用戶體驗更好。更何況，工程師一般並不希望投入太多時間學習新工具，而是能以很短的準備時間就可開始進行設計工作，因此熟悉的工具將是保持客戶忠誠度的關鍵。

相較於其他FPGA業者積極布局雲端市場，美高森美則持續在航太領域發布可符合適用於嚴苛環境的FPGA與可客製化系統單晶片(cSoC)。該公司表示，可在極熱和極冷的溫度下能可靠運行的FPGA，對石油勘探應用、航空航太和國防設備，以及其他用於嚴苛工作環境的產品來說，是不可或缺的特性，而此特性亦為美高森美產品發展的主要方向，藉此與其他FPGA廠商做出市場區隔。

總的來說，隨著FPGA的效能不斷提高，可預見未來雲端通訊設備中，FPGA將被大量導入。而FPGA廠商為掌握雲端商機，不僅領先傳統半導體產業，致力於先進製程節點與封裝技術的發展，進一步推出尺寸、功耗與整合度皆具備競爭優勢的產品，並發布更多易用的參考設計與開發套件，加速設計工程師以FPGA取代ASSP與ASIC。