从28奈米到3D堆叠，FPGA身价突然翻涨，不再是过去那个扮演配角的被支配角色，反而由于其功能大跃进、重要性大增，目前在许多应用中，已经逐渐成为支配系统运作的主角。而现阶段FPGA的三大发展方向：28奈米、3D堆叠，以及SoC系统化，也成为FPGA制霸市场的决胜关键。

FPGA从配角变主角

FPGA市场对于28奈米的争霸，已经从几年前的蓝图布局，到产品试制，到目前已正式量产，也宣告FPGA真正走入了28奈米制程的新阶段。主要厂商包括Altera、Xilinx、Lattice等，纷纷端出28奈米FPGA大餐喂饱市场那张饥渴的大嘴。 28奈米与FPGA划上等号，只要拥有28奈米产品，就象征了该厂家所拥有的技术实力与研发创新，而端不出这道菜，似乎在市场竞争中，就少了能抓住客户胃口，以及能与对手抗衡的利器。

图一 : 系统化FPGA就像是积木一样，把所需的功能一块块拼成系统，然而不是所有的厂商都玩得起这场金钱游戏。

先来看看28奈米制程的FPGA到底好在哪里，重要性又是什么。 FPGA走入28奈米制程之后，不仅功能与整合度能超越传统FPGA，最重要的是，产品性价比也进一步逼近ASSP与ASIC。这意义在于，过去FPGA在系统中的定位，主要是协助ASIC、ASSP等核心处理器来处理数据、提供I/O扩充等功能，其定位是『配角』；但走入28奈米制程之后， FPGA可突破以往功耗过高的问题，成为高性能、低功耗以及小尺寸的代名词。

再加上FPGA业者不断提升IP及开发工具的支援能力，使FPGA在系统中的角色越来越重要，近年来更直接从配角，升等为『主角』，例如近来时常听到的SoC FPGA就是一个例子，FPGA就是完整系统，这也让FPGA将取代ASIC与ASSP成为一个热门话题，并持续在市场上发酵。

事实上，由于电路结构较为单纯，FPGA一直都是率先采用先进制程的半导体元件，这也就是FPGA一直能有制程技术突破的主因。而采用更新的制程技术，也让FPGA的功能不断强化。回顾FPGA从1990年代取代胶合逻辑（Glue Logic）元件、2000年代试图取代ASIC、DSP等元件，到现在2010年代，正式跨入28奈米世代，其高度整合性让FPGA一举跨越既有的微处理器市场，将触角伸入到高效能运算、储存、汽车、工业控制等更广泛的应用领域。

28奈米让FPGA如虎添翼

依据市调公司的研究数据来看，ASIC的确受到FPGA的沉重压力。 Gartner分析，受全球金融风暴影响，2009年起FPGA取代ASIC的趋势更为明显，两者采用比重已经达到30：1。由于成本因素，许多公司纷纷延后甚至取消ASIC的设计案。

由于FPGA提供了成本优势，加上不断在制程与功能上精进，让开发者更乐于采用FPGA。传统的FPGA优势不外乎可编程、快速上市与低开发成本，这对于没有高量产需求且产品规格特殊的应用市场相当受欢迎，让业者免去开发ASIC的高成本，同时提供ASSP所缺少的差异化。这让包括军事、工业和网通等产业，成为FPGA的主力市场。

但过去FPGA因耗电与成本过高，难以打入功耗敏感与成本敏感两大敏感市场，无法大量生产。但随着制程不断升级，加上业者推出低价化和超低功耗产品后，让FPGA摆脱瓶颈，直闯高量产市场。

只不过，这意味着ASIC被宣判死刑，而FPGA从此可以躺着赚吗？倒也未必。尽管FPGA在功耗方面有所进步，但比起ASIC仍嫌不足，特别是在动态与静态电源管理、及漏电等问题。此外，在高量产市场，短期内FPGA仍难敌ASIC既有的成本优势。

专家就曾表示，ASIC的开发成本并不如外界所想的高，加上晶圆技术不断进步，目前晶片设计成本已越来越低。且系统的开发，也不单只是成本考量，性能优化、使用体验与商业模式等，也都是关键。 ASIC虽后有FPGA追赶，但成长动能并没有消失。

因此，从28奈米开始的FPGA趋势，应该说，28奈米FPGA把电晶体密度增加，更提升了电耗控制与设计弹性，此对ASIC和ASSP的威胁将更大，然而说会从此取代ASIC仍言之过早，毕竟28奈米FPGA是否真能对市场产生决定性影响，还有待时间观察。而这段时间，ASIC也将持续精进。因此这场战争并非结束，其实反倒可以期待一场新局面的开始。

3D堆叠打造异质系统

3D IC技术在市场上酝酿已久，却迟迟停留在只闻楼梯响，不见人下来的阶段。然而，3D堆叠架构对于晶片间的异质性整合，其实扮演着十分重要的角色，特别是极力打造SoC晶片的半导体设计商们。而3D堆叠的晶片整合方式，将在FPGA上率先实现。

目前FPGA大厂Xilinx在其高阶元件上，已经开始采用3D堆叠架构，这也是全球首款异质的3D FPGA晶片，主要技术基础是透过SSI（堆叠晶片互联），将FPGA与收发器进行整合，这同时也是一种创新。 Xilinx未来更多的FPGA产品，包括最新的ZYNQ平台，都会采用3D堆叠的方式来设计。

Xilinx指出，尽管一般人认为3D堆叠的方式会增加封装方面的成本，然而就良率的角度来看，同样面积的晶片上，有相同数量的逻辑闸，若采用单一块晶片，对比切割成更小的区块，透过立体堆叠方式制作的3D晶片，则采用3D堆叠的方式，将会有更高的良率。

主要的原因在于，晶片上逻辑闸的数量越多，晶片的良率相对将会较难提高。以同样面积的晶片来看，若将晶片切割成更小单位晶片，每单位的逻辑闸数目相对减少，更可以提高每个单位晶片的良率。将这些良率更高的晶片，透过3D堆叠的方式整合在一起，堆叠后逻辑闸的数量是一样的，也就是运算效能相同。而由于每单位晶片逻辑闸数目更少，生产过程良率高，无形中成本将会更为降低。

此外，Altera亚太区工业市场开发经理江允贵也认为，采用3D堆叠，还有更多好处。透过平面的线路传输讯号，会花费更久的时间。如果采用垂直方式来传递讯号，速度将会更快。 3D堆叠主要是让单位晶片面积更小化，再采用堆叠方式来提高逻辑闸密度。透过垂直的金属互联层传递讯号，等于面对面这样的迅速，这对于FPGA的处理效能将会大大的提升。 3D堆叠将非常适合低密度、多IO、小包装的FPGA系统设计。

3D堆叠，无疑将成为FPGA未来征服市场的一大利器。特别是未来FPGA将朝向SoC方向发展，透过3D立体堆叠，让FPGA的整合之路将更为顺遂。

整合大势起 系统化FPGA战火燃

系统整合是晶片发展的重要趋势，自然FPGA也将遵循这个原则。在接下来的十年，SoC FPGA设计趋势将蔚为风潮。 SoC FPGA是整合了FPGA、实体处理器以及其他硬体IP元件的SoC晶片，由于市场需求、技术成熟与商业竞争等因素推动下，使得SoC FPGA的战火开始点燃，包括Altera、Xilinx、Cypress与Intel等厂商，都已经磨刀霍霍，在未来十年，相关厂商在这战场上肯定有得打。

从传统FPGA，走向全新的SoC FPGA发展，主要有几个关键的推动力，包括FPGA开始采用28奈米的先进半导体制程技术，透过摩尔定律来达到更高的成本效益；同时，CPU的运算效能越来越强大、多核心与平行运算逐渐普及，加上嵌入式系统采用FPGA的比率愈来愈高，都是推动SoC FPGA前进的幕后功臣。

由于成本要求日益严苛、制程技术成熟和市场需求增加的因素推动下，SoC FPGA时代已经来临。目前已有部分FPGA厂商正式推出了SoC FPGA相关产品，落后的厂商则更加紧脚步研发中。在方案选择性众多的情况下，系统设计人员于评估系统解决方案时，可以认真考虑平台效应、IP重复使用以及FPGA制程技术优势，以获得最佳的解决方案。

目前，Altera已经与主要的CPU供应商ARM、Intel和MIPS策略合作，为SoC FPGA元件和CPU核心提供FPGA平台。这种合作关系能够提高CPU架构使用弹性，沿用高阶FPGA设计流程，进而在该平台上增强IP重复使用性，让灵活度提高。这种整合方法将实现平台效应，并促使SoC FPGA的成长和发展。

江允贵认为，目前只有动作较为积极的大厂，才会将SoC FPGA作为主要发展方向。毕竟不是所有的FPGA都需要朝SoC的方向来行进，例如只是简单的控制功能，就不需要走向成本更高的SoC。重点是，不是所有的厂商都玩得起这场昂贵的游戏。

只不过，对于大厂来说，能将系统完整整合，一来全部通吃拥有获利商机，二来由于规模够大，也有足够的资源能够投入开发SoC晶片，何乐而不为。最重要的是，当SoC已经成为趋势，整个系统几乎都被有能力的大厂给吃下，规模不大的厂商将失去生存空间。这也让现有的FPGA业者有了危机意识，不得不投入发展更有竞争力的系统化FPGA。

工业控制让FPGA重返荣耀

多年前，台湾由政府的两兆双星政策带头，面板与DRAM两大产业风光带领台湾迎向一个美好的半导体大未来。只不过，几年的时间过去了，过去这两个大家寄予厚望的产业，如今却成为不知该从何救起，也不知该如何结束的烫手山芋。

在过去这个双D独领风骚的年代，一般人绝对连看都不会看工具机一眼。随着双D时代凋零，台湾出口一再衰退，国人试着找出还有什么能让台湾救亡图存的技术或产品，却发现台湾的工具机产业一枝独秀，既使走过2008年的金融海啸，却依然健壮，2011年台湾双D产业欲振乏力，然而同一时间，台湾却是全球工具机的第四大出口国。踏破铁鞋无密处，原来，能带领台湾独步全球的关键产业，就默默藏身在你我身边。而满足工具机需求的工业控制应用，正提供了FPGA再一次成长的新动能。

江允贵说，目前全球针对工业自动化市场，有三大挑战，第一是强调性能的提升，不论是智慧电网、或者自动化生产工具机等应用，都强调性能的提升。性能提升的关键，不外乎就是节能减碳、提高效率，例如采用效能更好的变频器。而第二部分是降低成本，可透过单晶片来达成此目的，减少使用过多零件的缺点。此外，多轴化控制，也能让工业机器手臂进行更为复杂的操作，减低所使用的手臂数。

第三则是强调功能​​安全，也就是保护机器不受损坏、人员不会伤亡。毕竟机器万一停机，所造成的损失可能非常可观，而工作人员更不能因为操作机器而造成生命上的安全顾虑。 FPGA之所以在工业市场越来越受到重视，就是因为其本身的特性，可针对这三大挑战进行最佳化的参考设计，提升性能、降低成本，并增加功能安全。让FPGA在工控市场上，平步青云。

图二

结语

从过去系统的配角，到今日系统的主角。 FPGA挟其高整合、高效能、高灵活的『三高』特色，目前在各大领域都开始崭露头角。除了通讯、储存与车用之外，包括工业控制、监控系统与智慧电网，采用FPGA的比例越来越高。我们可以说，FPGA的时代真的到了。想在半导体产业找出火热的新话题，FPGA绝对当之无愧。

FPGA四大工控应用

以Altera的FPGA产品在工业控制领域的应用发展来看，包括四大区块，即工业乙太网、工业安全、马达控制、设计应用方法。分述如下：

工业乙太网

工业乙太网不只是在工业自动化、在运动控制、智慧电网、高铁车厢、捷运自动门、纺织机、工具机等，都能使用到工业乙太网。早期工业设备连接线一捆非常庞大，现在只要透过单一条乙太网路线就可以传送命令与资料。

当然工业用乙太网与一般家用乙太网所采用通讯协定并不相同，毕竟工业应用还必须拥有更大的可靠度与容余空间，以免讯号传输中断，导致整条作业线停摆，然而其基本精神是相同的。只不过，工业乙太网的解决方案供应商颇多，​​各厂都推出自有规格，形成了工业乙太网规格纷乱，市场群雄割据的情况，没有特定的标准。

面对这种情况，FPGA正好可以完全发挥其优势。由于FGPA是可程式化的逻辑晶片，因此厂商需要不同标准的通讯协定，只要把通讯协定的IP写进FPGA里，随时都可因应需要而进行改变，完全具有弹性与灵活性。反观ASIC这种逻辑元件，由于不具有可程式化的优势，无法改写，只能选定一种协定，不能再改变，毫无弹性可言。当然另有一种采用插卡式的解决方案，但也不如FPGA来得方便灵活。因此FPGA可以说在工业乙太网的应用占了上风。

图三 : 3D异质性堆栈尽管难度高，但非常适合低密度，多IO，小包装的系统设计，这也是FPGA称霸市场的一大利器。

工业安全

在工业安全的部分，欧洲国家于2010年起已经强制实行IEC6​​1508安全标准，希望透过该标准来保障员工与生产线流程的顺畅，机器不要损坏、人员不要伤亡，所有的工业机器设备都必须符合这样的标准，并由政府强制执行，若未符合标准，厂商甚至无法投保意外险。

而工业用的机器整体是否安全，与所采用的关键元件非常有关系。这包括PLC、HMI、伺服器、驱动马达、工业乙太网路等，这些都是组成一个工业生产设备的重要元件，各环节都必须是安全无虞并符合IEC61508标准的，才有办法降低故障的发生率，让功能安全达到最高标准。

FPGA是可程式化逻辑元件，在工业控制应用中扮演非常重要的角色，其安全性当然更受到重视。目前在所有的半导体大厂中，Altera是最先让自家元件与软体，通过德国来茵IEC61508认证的厂商。工业应用的特性，是少量、多样、客制化、标准不一，且产品的生命周期很长，一具工业机台，使用时间多则可达10～20年，甚至应用于电梯的元件，使用时间更可长达30年以上。也因此，半导体厂商必须要能持续供应零件如此长的时间，还必须同时确保稳定性与可靠度。

获得认证标准的厂商，便代表其FPGA产品符合了工业应用的功能安全标准，也就是产品发生失效的机率很低，可以保护员工生命安全，并降低工厂机器损坏率。看准FPGA对于工业安全的重要性，相关厂商未来势必也将以通过功能安全标准为最高原则。

马达控制

在马达控制方面，FPGA所能提供的两大优势，包括性能的提升与成本的降低。性能提升的关键，在于提高系统运作效能，降低马达温度；至于成本的降低，则在于多轴控制。

但越多轴的马达，其运算就越复杂。早期的处理方式，是采用FPGA外加DSP来进行运算处理，现在透过SoC的设计，例如Altera在单晶片中整合了FPGA与双核心的ARM处理器，不仅可编程的特性能满足不同的应用需求，双核心处理器也能进行复杂的运算。单一晶片就可以控制多个马达，且也可达到安全的目的。

这是FPGA在走向SoC化之后所发挥的独特优势，透过其可并列运算的特点，比起串列运算的DSP更具效能。工业应用的趋势，若是朝向多轴控制、复杂运算的方向发展，那么采用FPGA肯定是未来工业应用的王道。

图四: 解决机器手臂所需的多轴控制与复杂运算，正是FPGA的拿手好戏。

Lattice为行动应用带来创新

Lattice的产品注重低成本与低功耗，但性能也没被牺牲，其新的iCE40系列解决方案，采用40nm标准CMOS制程生产，频率达150MHz，性能比前一代的产品提高了50％，能满足大多数的消费性产品，且采用高速LVDS通道，传输速率高达525 Mbps，能在影像播放上，支援1080p @ 30Hz的高画质影片，播放品质绝不打折。

「消费性电子一定会不断追求性能的突破，因此目前的产品过一阵子也将无法满足需求，Lattice当然也注意到这些问题，并已着手开发性能更卓越的下一代产品。」Lattice消费及行动产品策略行销部总监Gordon Hands说。

透过Lattice的解决方案，已有数家消费性电子商研发出创新的产品应用。例如一家数位相机的制造商，就采用Lattice的方案，研发出一种双显示萤幕（Dual Dislay）的创新数位相机，让使用者自拍更便利；另一个案例则是智慧型手机，业者就透过使用Lattice可编程方案的Sensor Hub功能，来管理和控制众多的感应器（Sensor），例如触控感测、陀螺仪、加速度计等，不但让感应器更有效率，手机整体的性能也能提高。

图五