工業/消費市場需求驅動　FPGA高頻寬/低功耗並進

目前影音資料邁向高畫質(HD)，對於頻寬需求也日漸提高，而網通產品也必須具備高傳輸速度，連帶也促使現場可編程閘陣列(FPGA)邁向高頻寬，以解決特定應用積體電路(ASIC)與特定應用標準產品(ASSP)提升頻寬即須改變所有設計的問題，並加快產品開發時間與節省成本。而高畫質影音也使各種影像轉檔傳輸介面須要進一步提升傳輸速度，因此FPGA除了挾既有的彈性優勢之外，頻寬擴增也讓其持續拓展更多的應用範疇。  

另一方面，低功耗也成為各家FPGA業者開展市場的重要利器。如何降低功耗與推升FPGA頻寬，各家廠商則各顯神通，除了利用先進製程之外，自有的低功耗FPGA設計架構等，皆為FPGA往高頻、低功耗邁進的關鍵，而FPGA廠商的努力，也使FPGA市場能有更大的成長空間，並超越ASIC，持續實現摩爾定律(Moore's Law)。  

FPGA市場看俏  

根據Linley Group研究報告指出，在2008年達到29億6,000萬美元的規模之後，FPGA市場於2009年縮水至25億6,000美元，並在2010年回到28億1,000萬美元的水準，而在2012與2013年，FPGA市場規模估計則分別為34億9,000美元與34億8,000萬美元。  

另一家市場研究機構iSuppli則預測，整體可程式化元件市場規模將在2008～2013年間，由37億3,000萬美元擴張為42億2,000萬美元，年複合成長率(CAGR)達2.5%。此外，該機構也預期，整體半導體市場在同時期的年複合成長率僅為1.1%，2013年的預測規模為2,729億4,000萬美元。再從Ticonderoga證券分析來看，2010年可編程邏輯元件(PLD)預估銷售額將達到45億美元，較2009年的32億8,000萬美元增長37%，並將比2010年整體半導體產業的成長率高二到三倍。  

圖1　賽靈思亞太區市場及應用總監張宇清表示，該公司新推出的7系列產品，邏輯處理單元達二百萬個、DSP處理能力亦達4750GMACS，使整體FPGA頻寬提升不少。

從上述研究機構的資料顯示，在整體半導體市場中，FPGA成長幅度相當亮眼。以應用領域來看，FPGA最大的通訊應用市場，預計由2009年的12億2,000萬美元的規模，至2013年成長為15億8,000萬美元。至於其他成長較快的FPGA應用市場，則包括廣播視訊、數位電視、工業、醫療與自動化等領域。

推升FPGA頻寬刻不容緩  

網通產品須處理的高畫質影音與更大量的檔案資料越來越多，因此處理器效能也須日益提升，雖然處理器的效能也不斷增加，但作為接口的FPGA頻寬也須持續往上升，才可提升整體的頻寬與效能，以符合市場需求。賽靈思(Xilinx)亞太區市場及應用總監張宇清(圖1)表示，過去網通產品對內與對外接口多使用ASIC或ASSP，但是一旦須升級頻寬時，ASIC並不具備可重複使用的特性，常導致客戶須花費更多成本，不過使用FPGA作為橋接，其所具備的彈性與可編程優勢，即可被突顯，成為FPGA重要的應用市場之一，因此許多FPGA廠商包括賽靈思也不斷利用各種技術，提升自家FPGA頻寬。

圖2　Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞指出，當從核心或處理器導向轉移到以頻寬為焦點時，FPGA須能隨時調整以支援仍在持續發展的最新通訊協定。

事實上，對具有高速收發器矽晶片元件的需求，並不僅限於通訊市場，在2010年也有其他的市場領域需要收發器科技，如工業自動化市場也須進行網路化。Altera亞太區高級市場經理羅嘉鸞(圖2)指出，朝向網路化發展對任一產業來說應該都不會覺得訝異，因為電腦已經網路化、儲存裝置也要網路化，而網路化的任何裝置都較易於維護，且更易於管理、控制與升級，預期網路化的工業世界將會採用乙太網路(Ethernet)技術。但有趣的是，在工業世界中，有許多形式不同的乙太網路標準，造成這種現象的原因很多，因為在工業市場中有許多不一樣的機器，不同類型的工廠與迥異的需求，有些需要即時，有些不需要即時，有些則在乎判斷的時限，就是因為這些因素，導致有許多不同的標準，如ProfiNet與EtherCAT，雖然這兩個標準皆使用乙太網路作為基礎的傳輸技術，但有非常不同的運作方式。  

羅嘉鸞強調，過去，面對單一標準時，客戶可採用單一的硬體平台，並只為特定的應用使用適當的通訊協定，將極具成本優勢，這些類型的應用原未曾使用FPGA，但因市場趨勢轉移到工業乙太網路，並且有各式各樣的工業乙太網路通訊協定，導致工業自動化領域非常快速地採用FPGA。此外，當從核心或處理器導向的世界轉移到以頻寬為焦點時，矽晶片元件的發展趨勢便是須能調整適應，以支援仍在持續發展的最新通訊協定，這正是FPGA特有的優勢所在，因此FPGA也須不斷提升頻寬，以因應網路化所衍生的市場需求。  

提升FPGA頻寬的方式很多，張宇清指出，包括提高輸出/輸出(I/O)的速度、記憶體頻寬與增加更多串列解串列器(SerDes)數量，以及提升數位訊號處理器(DSP)效能皆為方法，賽靈思新推出的7系列FPGA產品即活用上述方式，使該系列產品中每個I/O傳輸速度皆可達到113.Gbit/s，內建的DDR3記憶體傳輸速度可達2,133Mbit/s。  

此外，賽靈思推出的三款7系列產品不但發揮台積電28奈米高介電層金屬閘(HKMG)高性能低功耗(HPL)製程技術的功耗、性能和容量優勢，而且還利用FPGA業界首款統一晶片架構的可擴展性，為新一代系統提供綜合而全面的平台基礎。  

先進製程為提高FPGA頻寬方式之一  

Altera在2010年4月宣布下一代28奈米Stratix V FPGA產品系列，羅嘉鸞表示，此FPGA產品將可提供高達1.6Tbit/s的序列交換能力，而達成此能力的關鍵在於憑藉著眾多新科技與先進的28奈米製程，能減少高頻寬應用所需的成本與功率消耗，是下一代高頻寬系統的理想選擇。  

此外，Stratix V FPGA系列採用台積電28奈米高性能(HP)製程技術進行製造，提供一百一十萬個邏輯單元(LE)、53Mbits嵌入式記憶體、三千六百八十個18×18乘法器，以及工作在業界最高速率28Gbit/s的整合式收發器。元件還採用業界最高級的專用硬式核心矽智財(IP)，提高系統整合度和性能，且沒有成本和功率消耗代價，可滿足無線/固網通訊、廣播、電腦和儲存、測試和醫療市場等多種應用需求。  

張宇清強調，賽靈思宣布進入28奈米先進製程，並非直接提升FPGA的頻寬，原因在於，雖然理論上，更小的製程可以在單一FPGA中放入更多的I/O、DSP等，但I/O卻無法隨著製程的進步而持續縮小，限制了FPGA內部核心的大小，因此在I/O數目無法提升的狀況下，也無法對提升頻寬作出更直接的貢獻，然而多出來的空間，則可放入其他硬體，包括記憶體控制器、DSP模組等，以提升效能。  

即便目前有FPGA廠商推出號稱I/O傳輸速率可達28Gbit/s的產品，張宇清表示，目前FPGA I/O傳輸速率達28Gbit/s未成為業界標準，也沒相對應的晶片可與其匹配，廠商其實跑太快，目前並沒有市場需求。而賽靈思7系列13.1Gbit/s的I/O傳輸速率，再加上產品具備八十個通道，因此總頻寬仍可較每I/O具28Gbit/s的還高，未來待I/O傳輸速度28Gbit/s成為業界標準後，賽靈思才會推出產品。  

先進製程大勢所趨　萊迪思步步為營  

為提升效能與降低功耗，FPGA紛紛朝更先進製程邁進，目前包括賽靈思、Altera已宣布進入28奈米製程，不過市占第三的萊迪思(Lattice)，卻持保留態度，在現階段先搶先贏的市場氛圍中，反而不願成為市場先驅者。  

圖3　萊迪思全球行銷副總裁Stacy Fender表示，對於印度等開發中國家廠商較著重低成本而言，先進製程晶片較無法符合其需求。

萊迪思全球行銷副總裁Stacy Fender(圖3)表示，通訊市場如長程演進計畫(LTE)下鏈速率達到100Mbit/s，高頻中頻與低頻的影像訊號處理顯示器與監控等工業應用不斷提升頻寬，即促使FPGA也須進一步提升頻寬，因此萊迪思利用其FPGA中整合的DSP模組所具備之快速且複雜的過濾能力，以提升FPGA頻寬。  

目前萊迪思FPGA已進入65奈米製程，Fender表示，進軍先進製程無疑是大勢所趨，如此一來，可以將更多邏輯閘(Logic Gate)放入FPGA中，除可以提升效能，也可增加頻寬，更可降低功耗，不過萊迪思卻不急著投入更先進製程，原因在於，萊迪思FPGA產品並不專注於某一應用市場，而是認為FPGA與生俱來的彈性優勢，客戶可依其需求將其所要的設計架構放入FPGA，進而使FPGA適用於各種應用市場，因此萊迪思毋須如賽靈思、Altera因較專注於網通市場，而須汲汲營營透過更先進製程，以提升FPGA效能。  

不可諱言，進入先進製程有諸多好處，但須付出的研發成本也更多。FPGA廠商若一失足，則將造成重大的損失。Fender解釋，目前對萊迪思的客戶而言，65奈米產品已足以應付其所需，再加上導入先進製程，所須花費的成本相當龐大，舉例而言，台積電為了進入奈米等級的先進製程技術，估計須付出90億美元建構所需的設備，如此龐大的成本支出，相對回收時間也會因而拉長。更何況，賽靈思、Altera爭先進入28奈米製程的另一主因為，為滿足網通市場需求，兩家公司須提供內含更多邏輯閘的大封裝FPGA晶片，更多的邏輯閘也會衍生更多I/O數量，將增加更多FPGA內部設計的困難度，導致產品無法迅速上市，減緩導入先進製程成本的回收速度。  

有鑑於上述諸多考量，萊迪思決定放緩腳步，Fender認為，依循摩爾定律，半導體每18個月即須進入下一個製程，然在此之前，採用先進製程的先驅廠商已將大部分研發問題解決，良率也可提升不少，相對的晶片價格就會下探，此時才是萊迪思等其他廠商跟進的最佳時機。  

可攜式/電源管理需求起低功耗FPGA為另一焦點  

雖然FPGA兩大龍頭戮力於28奈米製程，不過針對產品非專注於網通設備的FPGA廠商來說，先進製程反而不是現階段必要進入的步驟，低功耗才是FPGA開拓應用市場的重要關鍵。  

圖4　愛特亞太區總經理賴炫州表示，因為採用Flash架構，因此可順利整合類比與數位訊號於FPGA產品中。

有別於其他採用靜態隨機存取記憶體(SRAM)的FPGA廠商，愛特(Actel)採用的是快閃記憶體(Flash Memory)，愛特亞太區總經理賴炫州(圖4)表示，相較於賽靈思與Altera以網通市場為主要目標，開發較大、邏輯閘較多的FPGA產品，愛特則不以通訊為主要市場，係專注於電源與系統管理，因此發展中、小型邏輯閘數的FPGA，邏輯閘的數量較少也可減少漏電，功耗也因而較低，晶片、成本也較低，因此適用於工業、外太空/航太與消費性電子等不需高邏輯閘數的市場。  

此外，利用Flash架構也可讓FPGA保密度更高，更具安全性，也可承受達12伏特(V)的高電壓，在成本方面也可降低整體物料清單(BOM)成本，再加上新產品SmartFusion整合類比訊號，可在主要為數位訊號的FPGA中實現較佳的混合訊號技術，因此愛特65奈米製程產品也具備相當的市場競爭力。  

賴炫州並強調，即便近期通訊市場發展頗為熱絡，但已有賽靈思與Altera兩家公司持續針對市場研發新產品，因此愛特並不考慮進軍通訊產業，反觀需低功耗的應用市場也相當龐大，而愛特產品挾安全性、低成本、低功耗與高整合度等優勢，將可在低功耗市場一展身手。另外，雖然一般認為低功耗可透過先進製程達到，不過，賴炫州認為，先進製程也許可降低部分FPGA功耗，但功耗的高低需要以整體FPGA設計過程來看，亦即各階段耗電量的總和才是一顆FPGA真正的耗電量，而透過自身的技術，愛特可將FPGA功耗較其他廠商達十倍以上的省電。  

也有混合訊號與具備Flash及SRAM架構的萊迪思，產品也具備低成本、低功耗特色產品，Fender表示，由於萊迪思不將自己的市場定位在某一領域，而為與Altera與賽靈思等FPGA廠商有所區隔，因此著重在低功耗與成本的FPGA技術研發，目前65奈米產品已具備相當的成本與功耗優勢，且與其他FPGA晶圓廠商不同的是，萊迪思在FPGA設計與代工上是與富士通(Futsizu)合作，而非各家FPGA廠商選擇的台積電，因此產品可更有區隔性。  

影像轉檔需求殷　低功耗FPGA展身手  

由於數位家庭架構中，可攜式裝置也是重要的一環，須與電視機等大螢幕裝置連結播放影音檔案，但現階段可攜式裝置處理器晶片皆未有此功能，因此對於客製化能力高的FPGA需求逐漸興起，業者可利用FPGA作為輔助，以順利轉換影像訊號，也開啟FPGA另一片天。  

圖5　左起為矽藍業務經理謝忠義、資深應用工程師王致禹

矽藍(SiliconBlue)業務經理謝忠義(圖5左)表示，可攜式裝置對於FPGA的需求主要包括紅綠藍(RGB)訊號與低電壓差分訊號(LVDS)、I²C、序列周邊介面(SPI)等不同介面的轉換，以及當處理器未內建影像傳輸埠時，可透過安全數位輸入/輸出(SDIO)轉換，甚至在接上電視之後，利用可攜式裝置進行同步操控，而這些功能若廠商多開一顆ASIC作為因應，則無法根據各可攜式裝置開發商的需求彈性調整各種功能，再加上可攜式裝置產品生命週期短，若是針對各代產品一一開發ASIC，將無法符合降低成本要求，因此FPGA的彈性化即可符合客戶需求，進一步補足現有可攜式裝置處理器的不足。  

除彈性化優勢外，可攜式裝置對於產品功耗與成本也相當敏感。謝忠義指出，過去FPGA廠商如賽靈思、Altera著重的市場主要為插電式的網通設備，對於功耗要求不若可攜式裝置高，因此FPGA產品的耗電量普遍較高，所以可攜式裝置幾乎未見FPGA的蹤跡。而為符合可攜式裝置的嚴苛要求，矽藍已推出相關低功耗FPGA，成功開啟FPGA新的市場範疇。  

矽藍資深應用工程師王致禹(圖5右)進一步解釋，該公司由於採用65奈米先進製程加上矽藍特有的省電架構與封裝技術，因此可達到與ASIC相近的價格及微安培(μA)等級的功耗，再加上特殊的封裝方式讓FPGA晶片可具備小尺寸優勢，讓可攜式裝置業者更易於採用，是矽藍於強敵環伺下重要的生存關鍵。  

對於先進製程的追求，謝忠義坦承，以FPGA發展來看，先進製程仍是一大趨勢，矽藍也將順應此趨勢，預計於2011年底進入40奈米製程，未來也將朝28奈米邁進。而由於消費者對消費性電子三維(3D)影像顯示與各式影響轉換的速度也越來越高，因此矽藍也將持續提升FPGA頻寬，謝忠義指出，矽藍將透過製程提高效能，並改善邏輯閘延遲的狀況，另外，會為客戶最佳化FPGA的設計，並從設計工具最佳化開始，以提升FPGA頻寬。  

FPGA持續實現摩爾定律  

依循摩爾定律的ASIC與ASSP，目前已遇到極大的瓶頸，FPGA也往更先進製程前進，是否也會遭遇相同瓶頸？關於這一點，廠商普遍認為，FPGA以眾多優勢逐漸取代ASIC/ASSP的同時，相對的市場也越來越大，張宇清援引Gartner資料解釋，ASIC從過去每兩年有五萬個新設計到近期只剩下下兩千多個，可以說ASIC廠商在追求先進製程時，營收已無法超越先前所付出的龐大研發成本，導致設計量下滑，然而FPGA卻未遭遇所謂的摩爾定律瓶頸。隨著FPGA市場日漸擴大，FPGA在先進製程的速度上反而走得比ASIC快，從賽靈思2009年發表40奈米製程，僅經過約1年的時間，即於近期發布28奈米製程新產品，FPGA仍在不斷實現摩爾定律，未來視市場需求賽靈思也將投入20、18奈米製程。  

另一方面，賽靈思也持續推廣FPGA通用平台與模組的概念，張宇清強調，利用通用平台可以讓廠商的設計更容易，也可增加投資效益，因此不會降低利潤；而模組的概念也可達到FGPA的架構靈活性與簡單化，並可讓各種不同的模組如邏輯單元都放入FPGA中，這些特色不但不會增加FPGA成本，也是賽靈思長期於FPGA市場中以51%以上的市占率領先群雄的原因。  

羅嘉鸞則指出，在經過數10年的積極成長之後，摩爾定律仍然可套用在一般的半導體發展上，在從一個世代前進到下一個製程技術的過程中，半導體仍在設法讓元件具有更高的密度，更多的運算能力，更高的頻寬等，不過目前開發成本包括一次性工程費用(NRE)、光罩成本等越來越高，造成很多的ASIC與ASSP供應商在開發與生產自己的產品時，越來越沒有成本效益，這也讓FPGA這類的公司有越來越多的機會。  

舉例而言，Altera不僅在純粹的FPGA上提供產品即時上市與零NRE的好處，透過該公司Hardcopy轉換模式，也可提供客戶升級到ASIC的無縫式途徑。此外，Altera最近也宣布將在FPGA架構中實行嵌入式Hardcopy模組(EHB)，羅嘉鸞表示，這是由於預期到客戶將可在其設計中，放入如EHB這類的定型化部分，並在FPGA剩餘的部分中仍然保留一些設計彈性，此為結合FPGA與ASIC世界的較佳方式。  

自20多年前，FPGA開始出現於半導體產業中，隨著時間不斷的發展，FPGA除持續提升自身的可編程彈性外，為符合市場需求，也不斷提高頻寬與精進低功耗技術，並循序漸進的降低成本，以求讓客戶更有意願在其產品設計中導入FPGA。Fender表示，在廠商的努力下，FPGA不但持續依循摩爾定律的發展，也展現其市場發展潛力，以萊迪思2009年的營收為例，在2009年的全球經濟蕭條的狀況下，該公司還有10%的成長，可見FPGA市場未來發展能量仍相當強大。