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當PLD/FPGA遇上ASIC 誰是最後贏家?
 

【作者: 鄭妤君】   2003年09月05日 星期五

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IC產業近十年以來的蓬勃發展情況可說在全球各地皆然,投資門檻較低的無晶圓IC設計公司如雨後春筍般四處興起,各自在不同的專長技術領域頭角崢嶸,成為帶動整體IC產業向上成長的關鍵力量;但隨著市場競爭的日益激烈,IC設計業者也開始面臨生存的瓶頸,如何在不斷縮短的上市時程中推出更新更好的產品,並挑戰朝向SoC(系統單晶片)與深次微米、奈米等級製程方向發展的複雜IC設計,都是各家設計業者必須克服的難題。


近年來具備可程式化功能的PLD(Programmable Logic Device;可程式化邏輯元件)與FPGA(Field Programmable Gate Array;場式可程式化閘陣列)市場的興起,主要活力即是在於IC業者不斷增長的、尋求更具效率與突破性設計方法的需求。PLD/FPGA原本是IC設計業者用以在ASIC(Application Specific IC;特殊應用IC)產品上市之前做為先期模擬的工具型元件,卻一躍而升為明星IC產品、甚至有取代ASIC的態勢,對於IC設計業界來說究竟意義何在?PLD/FPGA的市場發展現況與前景如何?此類產品是否又真將成為“ASIC終結者”呢?


PLD/FPGA vs. ASIC──市場現況

生命力充沛的可程式化元件世界

市場一般將可程式化元件家族分為PLD與FPGA兩種,事實上PLD原為此一類別產品的統稱,泛指邏輯功能可由使用者自由設定的IC,因此廣義的PLD包括了PROM(Programmable Read Only Memory;可程式化唯讀記憶體)、PLA(Programmable Logic Array;可程式邏輯陣列)、PAL(Programmable Array Logic;可程式化陣列邏輯)與FPGA。


PAL為早在1970年代就問世的第一代可程式化元件產品,早期以Bipolar製程生產、僅能燒錄一次,但該產品隨後帶動相關產業之持續發展,而逐漸發展出可燒錄次數更多且結構CMOS化的同類元件如:EPLD(Erasable Programmable Logic Device;可抹除式程式化邏輯元件)、GAL(Generic Array Logic;通用型陣列邏輯)、PEEL(Programmable Electrically Erasable Logic;可電子抹除式可程式邏輯)等;這些邏輯閘(logic gate)數少(僅在數百閘)、IC引腳(pin)數在28以下的可程式元件統稱為SPLD(Simple PLD)。1980年代,在一顆IC上集合數個PAL的CPLD(Complex PLD)產品陸續推出;CPLD邏輯閘數由數百個進階至5000個、IC pin數更高,採全CMOS製程與EPROM、EEPROM、Flash等技術。CPLD的可多次燒錄與抹除、高數量邏輯閘優勢,以及具備完整軟體環境可供設計者快速驗證、模擬的特性,節省了IC設計業者測試與開發產品之大量成本,市場接受度日高。而在Xilinx於1984年推出第一顆FPGA之後,可程式化元件家族又邁入另一新階段。


FPGA開闢可程式化元件新天地

FPGA因與一般PLD相較在設計架構上有所不同、元件密度較高,因此脫離傳統PLD類別自成一格,與CPLD在不同的應用領域各擅勝場;而兩者之間的最大不同點,在於FPGA的邏輯閘數量較CPLD低,但暫存器(Register)數量較多、I/O腳位較多,具備效能較高、功耗較低的優勢。FPGA依架構之不同又分為SRAM與Anti-fuse兩類,前者因具備重複可程式化(reprogrammable)、低耗電量與高彈性設計的特點,元件單價也較高,多用以做為IC設計者進行ASIC產品實作與功能驗證的原型機(Prototype)或少量生產之產品;後者則因單價較便宜、應用層面廣,且因所具備之一次編程(One Time Programming;OTP)特性,在資料保密性上較佳,成為一般3C電子產品領域之元件新選擇,甚至逐漸取代ASIC的往日地位。


逐漸面臨生存瓶頸的ASIC

訴求客製化特殊設計與大量生產特性的ASIC,於1980年代在美國與日本業者起始發展之後,成為IC市場的明星產品,不但吸引許多IC設計業者與後來的設計服務業者(Design Service)投入此一市場,更在1990年代的蓬勃時期創造數百億美元的產值。ASIC與其他標準型IC(如DRAM)最大的不同,即為IC內部的電路與功能是針對不同的應用所設計,因此各家業者所設計的ASIC皆擁有其獨特性,除了可減低IC在短時間內被競爭對手複製的風險,也可拉長產品在市場中的生命週期。


高整合性需求使ASIC設計日益複雜化

ASIC因製程上的不同又可分為以下幾類:


  • (1)閘陣列(Gate Array):以一基本電路佈局所構成的母體,依據不同應用需求加上三至四層光罩形成不同細部架構的ASIC;特點為因光罩數少,故需支出之NRE(Non-Recurring Engineering;非重複研發、委託設計)費用較少,製造時程也較短,但單價成本較高。


  • (2)標準電路單元(Standard Cell):此種ASIC以IC業者所擁之標準電路單元為基礎,依不同應用組合而成;因其結構之可變化性較大,所需光罩數較Gate Array多(十三層以上)。單價成本低,但所需製造時程較長、NRE費用亦較高。


  • (3)CBA(Cell Based Array):綜合Gate Array及Standard Cell特點所構成之ASIC;電路以Cell構成,僅在某部分需改變的電路變更光罩,因此可降低NRE費用並縮短開發時程。


  • (4)全客製化(Fully Customize):此種ASIC製作方式完全依照客戶需求設計電路,並可達成單價最低與性能最佳的解決方案,但相對必須付出更高的NRE費用與更長製造時程。



隨著IC產品邁向功能整合度更高的系統級設計與深次微米、奈米等級製程,由於設計技術與功能測試驗證的困難度不斷提高,再加上光罩與NRE費用的倍數成長,ASIC市場也產生了一些變化;華爾街日報(Wall Street Journal)即曾報導指出,ASIC因為開發與生產費用高漲,廠商受產品成本的限制與上市時程的壓力影響,不是以偏重標準化之ASSP(Application Specific Standard Product;特殊應用標準產品)取代ASIC,就是轉而向PLD/FPGA靠攏;在此一情況之下,未來ASIC市場恐怕將面臨日益萎縮的危機。


PLD/FPGA vs. ASIC──競合關係

FPGA因成本與應用廣泛,是目前對於ASIC市場威脅性最大的可程式化元件;Xilinx台灣分公司總經理賴炫洲表示,FPGA市場在近年來的半導體低迷景氣中也仍維持穩定成長,反觀ASIC則有退步的跡象,這代表IC設計業界已經在IC製程邁向90奈米製程與12吋晶圓的趨勢之下,開始慢慢體會到光罩與設計成本的增加而帶來的風險;FPGA目前的製程水準已經走在最前端,相關產品成本也不斷降低,因而有越來越多的IC設計業者選擇採用此一具備高度彈性化的方案,以解決產品上市時程縮短的壓力。Xilinx的Spartan系列FPGA產品,即是針對消費性電子市場所推出的低成本解決方案,在包括數位相機、液晶投影機、高畫質電視、機頂盒(Set-top Box)以及家用電腦、家庭網路與汽車領域,都可見到成功的應用案例;賴炫洲表示,Xilinx的FPGA產品除具備低單價的特性,在製程上也已達到12吋晶圓、90奈米的等級,在許多領域確實已經成為ASIC的解決方案,而且更具競爭力。


Altera亞太區高級市場總監梁樂觀亦表示,IC製程的進步對於ASIC來說確實是設計方法與生產成本上的一大挑戰,而可在某些方面做為ASIC替代品,並具備設計靈活度與低功耗等優點的FPGA,自然就成為多數IC設計者選擇的解決方案。Altera於2003年所推出以該公司Stratix FPGA為基礎架構的HardCopy元件,即是一個體積更小、功耗更低的新產品,該元件強調從IC原型到成品的全套解決方案,可利用Altera之Quartus II設計軟體環境進行高效率的設計流程,讓成品達到與ASIC具備相同優點卻成本更低的目標。


有競爭亦有互補的FPGA與ASIC

而具備種種優點的FPGA是否正逐漸一步步蠶食面臨發展瓶頸的ASIC,甚至終於取代ASIC的地位?兩者之間是否處在一種絕對競爭的關係?


賴炫洲表示,儘管原屬於ASIC的某部分市場確實被FPGA取代,但可程式化元件業者與ASIC業者之間並不完全是競爭關係,彼此之間在技術上的合作交流反而更為密切;例如目前Xilinx與全球最大ASIC業者IBM,即在90奈米先進製程與設計方法上有相關的研發合作,而其他IC設計業者亦會以FPGA或CPLD元件做為開發ASIC的初期模型與設計平台。梁樂觀也表示,FPGA與ASIC競爭的情況事實上並不如市場所預期的激烈,FPGA與ASIC在設計工具上可以共用,亦可在設計方法學上相互切磋學習,兩者之間互補與合作的情況反而較多。目前有部份市調機構將可程式化元件歸為ASIC之一類中,其實也證明了FPGA與ASIC“本是同根生”,談誰扳倒誰、誰取代誰的論調似乎有些太過狹隘。


在ASIC陣營部分,雖然確實出現市場萎縮與設計瓶頸的問題,但對於ASIC設計業者來說,仍對於市場未來的發展表示樂觀,也在市場策略與設計方法上做了一些調整;IBM微電子以提供較接近標準化IC、生產成本較低的半客製化設計(Semi-custom Design)ASIC服務做為因應;德儀則認為ASIC的市場需求可在2003年有所回升,並認為客戶仍將對ASIC市場充滿信心。而目前ASIC業者除致力於降低製程與開發成本之研究,也致力於設計方法的改進,目前業界已有一種可透過減少光罩次數降低製造成本,介於Standard Cell與CBA之間的“Structured ASIC”問世,相信在製程的成熟度逐漸建立之後,亦能為ASIC的未來發展開拓新方向。


結語

IC市場的競爭情況除了反映IC產業的活力,對於IC業者來說更是思考產品發展方向、調整市場經營腳步的契機;除了掌握正確的技術與市場趨勢,致力符合客戶的需求並建立獨特性,隨著IC設計走向SoC的設計趨勢,尋求更具效率的IC設計方法與解決SIP(Silicon Intellectural Property;矽智材)整合的種種問題,無論對可程式元件業者或ASIC業者來說都是重要的課題;此外嵌入式軟體的開發與尋找“殺手級應用”產品,也是整體IC 業界在良性競爭之餘可以共同投入的項目。強調誰是最後贏家,不如著重合作後可產生的力量;而此一共同前進的力量,將是提升整體IC產業向上成長的活力泉源所在。


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