原创 “方寸芯片多奇志！”Xilinx CTO谈FPGA未来发展

如果你想了解半导体产业的未来，你必须得了解半导体产业里的主流厂商的动向，如果你想了解这些主流厂商的未来，你必须和他们的CTO交流了解他们在做什么样的产品规划。从1984年全球第一颗FPGA诞生到现在，FPGA的应用日益广泛，那么，FPGA未来将有什么发展？它将给我们的生活带来什么革命性的新应用？它给未来电子产品设计带来什么影响？在电子工程专辑网站对Xilinx的CTO Ivo Bolsens的独家专访中，你可以寻找到答案。

未来的FPGA

“到2011年，半导体制造工艺将采用32nm节点，芯片制造商可以制造包含数十亿个晶体管的单芯片产品，而采用这种工艺的FPGA会包含一亿个可编程逻辑门，而且FPGA平台会采用创新的封装技术将存储器、模拟混合信号电路、通用接口、传感器、各种I/O集成到一起，这样的FPGA会成为许多电子产品的核心。” Bolsens强调。

他以具体的数据来证明这个推测，“从1999年到现在，现在的FPGA和99年的相比，成本降低了500倍，容量提高了200倍，功耗降低了50倍，速度加快了40倍。我们预计到2010年，FPGA的价格会降低5倍，容量会增大5倍，速度提高5倍，在单位功耗上会有更多的功能，从这个趋势可以看出未来FPGA的价值会越来越高。目前FPGA已经用于各种各样的应用。在最新的Virtex5的器件里面有10亿以上晶体管，除了可以编程以外还有很多硬核在里面，例如最新的PCIe总线和高速以太网的总线等，还有高速串行收发器以及成百的DSP模块。”

实际上，这样的FPGA已经演变成一种可编程系统平台，他称之为“虚拟SoC”。

他表示这样的FPGA甚至集成光器件，因为那时的FPGA不仅处理能力很强大，还因为集成的芯片众多，需要传输高速的信号（可达Gbps水平），所以自然需要光器件来传输信号。所以Xilinx未来会考虑将光器件也集成到FPGA里面。

当然，他也表示，FPGA将继续集成更多的DSP硬核，以应对3G、高清安防、高清视频的需求。目前，在Xilinx Virtex5中已经集成了640个DSP slice硬核，可以在550MHz频率下达到352GMAC的性能！未来，FPGA的DSP处理性能会更高！

伴随这些激动人心的性能提升的同时是FPGA价格的大幅度降低，Bolsens表示：“我们预计在2010年的时候50万个门的价格会在1美元左右。”由此，必然引发产业在设计上出现变革，“我们的客户可以直接做非常复杂的SoC，而不用担心价格上的挑战。客户可以把它的精力集中在真正的价值附加上，比如体系结构的设计，系统软件以及系统验证上面，这其实是我们客户的价值所在，这会给半导体行业带来一个新的演进。”

回顾历史，半导体产业逐步走向细化，70年代的半导体公司包揽了设计的各个环节，到80年代，EDA软件和FPGA兴起，让一部分工作外包，到90年代，代工业兴起，再次让芯片制造外包。“大容量大规模高度复杂FPGA的引进使这个产业再次分化，设计实现这个行业又分离出来了，而一个公司真正要做的就是对设计的特性定义和对系统的定义。”他表示。

这样的发展也必然引发设计方法学的变迁，Bolsens 预测：“今后软硬件可编程性最终会合到一起，这个也是我们赛灵思后面发展的重点之一。就是让大家最后用FPGA的时候感觉起来就像在用软件一样。”

在最近参加一次Altium公司的研讨会上，(Altium中国深圳路演，推广嵌入式开发新概念)我们注意到Altium公司的最新产品Altium Designer6.8已经增加了很多新功能，基本可以实现系统级开发，就是开发人员只要提供系统的框图，该工具就可以实现最终的电路。所以Altium公司的技术人员宣称：“任何不懂FPGA的人员，只要经过半天培训就可以熟练进行开发！”显然，这是FPGA应用开发的一大进步！“通过FPGA，可以真正实现软硬件协同设计！” Bolsens这样强调。

器件以及开发工具的发展都是为最终应用服务的，新一代的FPGA可以为我们带来哪些激动人心的应用呢？Bolsens表示：“融合了话音、数据和视频业务的三重播放（Triple-play）业务是未来FPGA的用武之地。”他进一步解释说：“要实现三重播放，其技术推动力来自于三个方面。第一数字信号处理，它是对数据进行处理的，第二是包处理，也就是对数据进行传输，最后一个推动力就是高速运算，它是对数据进行分析的。这三个技术使三重播放从可能变成现实。在实现三重播放方面FPGA担任了非常重要的角色，三重播放基础设施的支持主要是由我们高端器件来支持的。而且三重播放涉及到众多的标准和协议，这也是适合FPGA来完成。”

新的FPGA带来的另一个应用就是可重构系统（Reconfigurable System），这个诞生于上世纪五六十年代的概念由于受到硬件等诸多方面条件的限制，直到上个世纪九十年代中期，可重构计算技术逐渐成形并成为研究热点。现在随着FPGA器件的发展，这个构想终于可以实现了。“美国一些公司已经实现了基于可重构技术的产品！”美国杨百翰大学(Brigham Young大学(BYU))电机与计算机系副教授Michael J. Wirthlin表示。

不过目前这项技术还主要应用在军事和航天领域，如美国国防先进技术研究计划署（Darpa）项目官员就把美国国防部目前所使用的嵌入式计算项目描述为“静态”的，它依赖基于固定架构的、已将现有软件性能发挥到极至的硬件驱动型“点方案("point solutions)”。一份Darpa项目这样描述道：“静态方式缺乏满足动态任务要求的多样性，其所导致的性能下降或差强人意的匹配处理性能结果将损害我们的战斗力。” Darpa认为可重构处理器或可重构计算架构是解决这个挑战的关键。

Wirthlin表示目前可重构系统的成本还比较高，还难以应用到消费电子领域，但是未来，在消费电子中采用这个新技术是完全可能的。Bolsens也表示可重构系统可以重构硬件功能，但是对FPGA来说，重构系统意味着要下电重新启动电路，这对FPGA是一个挑战，但是我们可以换个形式实现可重构系统，例如目前在可重构系统应用的一个例子是软件定义无线电，用FPGA去实现这个功能已经达到实用水平。他强调FPGA是实现可重构系统的最佳器件。

Bolsens表示新的FPGA也给设计人员的带来一些挑战，就是设计人员不但要了解FPGA的具体结构，还要具备系统级的开发概念，也要了解软件方面的知识。 在这方面Xilinx一直和合作伙伴在努力帮助设计人员克服这些设计条挑战，他表示未来Xilinx要推出一个交钥匙的方案，比如在视频、无线方面都能够提供解决方案。在交钥匙方案的基础之上再根据市场要求，做一些市场定制的平台，例如针对汽车电子所做的专用平台等。即从通用应用到垂直应用都覆盖。他也透露Xilinx将以开发更多参考设计和开放源代码的形式支持设计人员的开发，目前Xilinx已经在中国各大学加强大学计划推广，并推出了供设计人员交流开发源代码的专门网站。去年，Xilinx推出了旨在鼓励FPGA创新的7500万美元基金，已经收到了良好的效果，他透露目前Xilinx在和包括清华大学在内国内多家研究机构、大学和创新公司进行合作洽谈。