Altera CTO：FPGA行业进入硅片融合时代

中心议题：
    *  FPGA行业进入硅片融合时代
    *  3D封装和软件是硅融合时代的技术挑战

经过20年的发展，寡头垄断的FPAG行业的竞争格局正在发生悄然的变化，FPGA厂商竞争的焦点正在从工艺节点的比拼，转向应用设计导向的硅片融合能力 的提升——这就是日前Altera公司资深副总裁，首席技术官Misha Burich博士接受我爱方案网采访时，传递出的重要信息。

工艺进步：FPGA发展达到关键点

FPGA与ASIC相互之间的市场渗透，一直是业界关注的热点话题。Misha Burich博士认为，在过去的10年中，随着工艺的进步，可编程逻辑器件（PLD）在工艺和总体拥有成本上已经超越了传统的ASIC。在他为我们展示的 工艺节点演进图中，2003年之后传统ASIC的工艺一直维持在130nm，而在2005年，PLD的工艺水平首次超越ASIC达到了90nm，之后在 2008年达到了关键的40nm——在这个工艺节点上，采用40nm工艺的FPGA和采用130nm工艺的ASIC在芯片面积上已经基本相同，在结构化 ASIC上甚至更具优势——在之后的几年中，随着PLD工艺水平的进步，与ASIC相比，FPGA已经具有了明显的竞争优势。可以说，工艺进步为FPGA 进入硅片融合时代，奠定了坚实的基础。

灵活性和效率需求：FPGA架构走向融合

而真正推动硅片融合时代到来的，是设计需求。Misha Burich博士分析，通常设计者在选择开发平台时，有三种选择：通用处理器和DSP，这个平台灵活性强，软件可编程，但是缺点是运算的功效（单位任务的 功耗）比较低；而ASIC和ASSP，由于是针对特定应用进行的优化设计，运算功效高，但是不可编程，灵活度差；而介于二者之间，以FPGA为代表的 PLD，由于支持硬件可编程，灵活度高，且具有比较好的效率。当今的电子产品设计越来越强调灵活性和效率兼顾，而达到这一目的最佳的选择就是建立一个包含 处理器和硬件逻辑的“混合系统架构”。

尽管通用处理器厂商通过优化效率，ASIC/ASSP厂商通过引入嵌入式处理器增强灵活性，都在尝试构建这样一个理想化的平台架构，但是Misha Burich认为，在建立一种包含微处理器、DSP、专用IP和可编程逻辑单元在内的混合系统架构上，FPGA与其他设计平台相比具有天然的优势——这种 优势不仅来自于FPGA厂商原有的平台架构基础，还来自与已经拥有的完善的生态系统。

Misha Burich举例，Altera公司不仅有自己开发的Nios软核处理器，还与ARM、MIPS、Intel等嵌入式处理器厂商建立了良好的合作；在硬件 逻辑电路方面，Altera有HardCopy的基础；同时公司拥有DSP高级模块库，可提供浮点DSP和精度可调的DSP；此外，公司还通过并购，不断 扩展面向应用市场的IP库。这些资源都有助于Altara建立一个强大的硅片融合系统。

Misha Burich博士还分析，这一趋势一直影响着FPGA体系架构的演进，上个世纪90年代，FPGA主要替代了胶合逻辑；到了2000年，FPGA平台中加 入DSP和其他硬件逻辑电路，在通信、军事、测试测量、医疗等市场中，替代了ASIC、ASSP和DSP的应用；而在下一个10年中，由于整合了更加丰富 的资源，FPGA的应用会扩展到更广的应用领域，向微处理器的市场的渗透将会加速。在Altera最新的Stratix FPGA平台中，可编程逻辑单元的面积已经少于50%，可见硅片融合趋势之强烈。

 

应用拉动：FPGA市场迅速扩展

硅片融合使得设计平台的性能显著提升，随之而来的就是应用范围的拓展。Misha Burich博士为我们展示了硅片融合时代FPGA应用蓝图。首先，在高性能计算领域，有报道称IBM计划将增加对FPGA的关注，因为FPGA与多核处 理器相比可以实现更高的效率。其次，在存储领域，FPGA在固态硬盘中也有成功应用——Vision Memory公司在完成RAID、页面映射和垃圾收集功能方面，由于采用了FPGA缩短了延时，大大提高了持续随机写IOPS，和其他固态硬盘使用处理器 和软件的方案相比优势明显。

在工业领域FPGA还可以用于高能效的电机驱动，在Misha Burich展示的方案中，第一阶段FPGA作为原有DSP/MCU控制系统的补充，可以为电机控制系统提供I/O扩展和工业以太网等通信功能的支持。而 未来采用SoC FPGA可以实现3个电机及安全支持，每个电机的BOM成本会降低50%，同时在功耗上，也会有明显的改善——从3.2W，480MIPS优化至 2W，1500MIPS。

3D封装和软件：硅融合时代的技术挑战

FPGA的硅片融合之路，也面临着诸多技术上的挑战，Misha Burich博士分析，最值得关注的就是来自与3D封装和软件开发环境。

为了能够将多种资源快速“融合”在一个器件中，立体化的封装形式是必然之选。Misha Burich博士介绍，到达最终的3D封装还需假以时日，目前2.5D异构封装是最为现实的选择，Altera正在采用TSMC的CoWoS（基底晶圆芯 片）技术，将芯片的制造和封装合并在一起，目前公司的第一款异构测试芯片已经完成。同时Altera还加入了IMEC的3D封装研究计划，推动3D封装技 术的发展。

面对更复杂的混合系统架构，必须建立起与之对应的开发环境。Misha Burich博士表示，Altera早就意识到“让用户更好地应用硬件完成设计，比硬件本身更重要”，因此公司在软件开发环境上投入了巨大的资源——目前 公司研发团队的50%在从事软件开发工作。目前Altera已经建立起了包括嵌入式软件工具、可编程硬件设计、系统互联、DSP编程和基于C语言的编程工 具，完整的开发工具体系。特别是Altera加入了Open CL，可以支持编程人员更便捷地使用Altera的硬件技术，建立开发的体系，提升设计效率。