在現今的市場上，要讓產品迅速上市的壓力愈來愈大，但產品的生命週期卻不斷地在縮短。過去一直穩定地處於十二至十八個月的產品設計週期已不復存在，如今常見的是，產品每六個月便會更新。更短的產品生命週期為OEM廠商在更迅速及有效地把新設計推出市場方面，帶來更大的壓力。有研究指出，產品若延遲四周推出，便會失去大約14％的市場占有率。

曾經被認為是實現系統設計的最具成本效率之ASIC元件，雖然受益於摩爾定律（Moore’s Law），但也同時受限於此一定律。半導體製程的尺寸不斷地縮小，使得供應商可以在設計中加入比以前還要多的功能，這是好的一面。然而，與製造這些更小巧製程相關的成本和時間卻呈指數級成長。更低的單位成本已由更高的非重複性工程（NRE）成本和更長的設計週期所抵消。第一次矽晶片的開發費用可能高達2000萬美元，而隨著設計人員朝著90nm及更高階的製程發展，成本預計還會再進一步增加，而且還要計算出錯的成本。重新設計會導致光罩成本升高和上市時間延長。這種種因素使得ASIC只能成為在最大量的應用下才能發揮成本效益的方案。事實上，業界預計可編程邏輯市場在未來幾年的成長大多來自於傳統量大的消費性電子市場。據市場研究機構Gartner Dataquest估計，2004年的低成本FPGA市場規模大約為3.5億美元，並將於2008年成長至超過11億美元。

《圖一　低成本FPGA市場規模將持續成長》

FPGA普遍被認為是建構原型和開發設計的最快途徑。FPGA矽晶片由於能夠進行編程、除錯、再編程和重複操作，因此可以充分地進行設計開發和驗證，比ASIC環境能更快實現相同的設計，而且風險更低，因為它不需要“重新設計”一組光罩，只需對FPGA重新編程即可。FPGA還可透過其現場編程能力延長產品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進行系統升級或除錯。

FPGA入門套件是由FPGA供應商提供的完整設計解決方案，能讓設計人員提高開發效率，實現最快的上市時間。入門套件的軟體和硬體功能可為設計人員帶來很多優點，包括：技術和元件評估、快速設計開發、廣泛的設計除錯能力及簡化設計。

使用入門套件，設計人員基本上便可立即採用先進的技術（如90nm）和FPGA完整平台功能。但是，哪種FPGA架構才適合產品的需求呢？由於在入門套件中唯有FPGA會進入產品的最終設計，因此分析應側重於FPGA。除了在明顯的總閘數和性能參數等考慮因素之外，FPGA技術本身將影響產品的最終設計，因此必須仔細檢視。

非揮發性FPGA與SRAM為基礎的FPGA比較

過去，以揮發性SRAM為基礎的FPGA一直保持著市場領先地位。先進的CMOS製程使得SRAM解決方案在尺寸方面優於其非揮發性的競爭對手，並使得SRAM FPGA在密度方面一直較非揮發性產品（nvFPGA）具有優勢。然而，在以價值為基礎/低階FPGA市場上，閘密度現已足夠讓許多設計受到焊墊而不是內核的限制。這便為那些價格競爭激烈的解決方案開啟了替代ASIC產品的市場。nvFPGA技術能為設計人員帶來許多優勢。作為單晶片解決方案，設計人員無需費力設計和處理許多與揮發性FPGA相關的支援元件和電路。由於設計工作減少，出錯和除錯的相關工作也減少，使得執行的風險也降低，因為元件不在板上便不會失效。也正因為不需要全部支援元件及加上一相等單元價格的電路，nvFPGA因此能比揮發性FPGA節省更多的成本。在以SRAM 為基礎的FPGA應用中，有關支援元件和電路的成本所費不菲，這包括了啟動PROM、CPLD、低電壓（brown-out）檢測電路、通電次序和其他資源負荷元件（overhead component）等。

舉例來說，以90nm SRAM為基礎的元件具有嚴格的內核電源電壓要求，以確保配置式SRAM不會在系統電源低電壓的情況下被破壞。配置式SRAM的破壞會導致災難性的元件損壞。而以Flash為基礎的FPGA（nvFPGA），Flash配置單元不會在低電壓情況下被破壞，當電源一旦恢復，更會即時恢復。為了檢測和管理以SRAM 為基礎FPGA的低電壓情況，需要在設計中加入額外的周邊元件，但以非揮發性Flash為基礎的FPGA則沒有這樣的需要。

隨著FPGA的複雜性、功能和市場佔有率不斷成長，FPGA對矽智財權的相關保護需求也在增加。非揮發性Flash FPGA提供多種水準的設計保密性，優於傳統以SRAM為基礎的 FPGA和ASIC解決方案。一個典型的系統可能整合一個處理器/DSP、一些記憶體、一些ASSP和一個或多個FPGA。如果能讀出FPGA的內容，便可複製（或加強）整個系統的性能，因為所有其他元件都是現成的。與SRAM技術不同，使用非揮發性FPGA，外人就無法截取其位元流，也無法損害周邊配置元件。

使用入門套件做出可靠決定

使用入門套件平台有多種好處，評估供應商的元件是其中最重要的一項。設計人員應該都讀過供應商的產品手冊及瞭解其FPGA平台的性能、功耗等。但是，這些FPGA元件在產品的設計中表現如何？在給定的工作條件下，功耗會是多少？能支持產品設計所要求的產能嗎？而確定系統性能的唯一辦法就是將矽晶片放在設計中，然後進行試用。

不使用入門套件的另一個選擇，是從頭開始設計一個評估目標板，其中包括目標設備的電路板設計圖和其他支援電路，以及元件。但是，設計、除錯和製造這種評估目標板的機會成本非常昂貴，而且也沒必要。在入門套件上進行設計是最快的方法，讓產品的設計能在真正的矽晶片上運作。

快速的設計開發

入門套件能讓產品「一步到位」。入門套件將軟體和硬體都放在一個封裝內，是一站式解決方案。此外，在快速設計中，入門套件提供的參考設計與軟、硬體工具同樣重要。這些編碼樣品提供了一些展示如何在供應商的矽晶片中實現有關功能的範例。這些過程更會經過最佳化，然後用於各自的架構中，讓新的用戶看看針對某種環境而最佳化的編碼範例。這些編碼範例的性質傾向於中性，可以量身剪裁以配合最終用戶的實際應用。然後其性能就會被當作比較基準，在矽晶片評估過程中提供協助。

設計彈性

沒有設計會只是系統本身。用戶需要在系統中存取資料，不是回應外界的驅動因素並提供適當的回應，就是抽取資料進行分析/處理然後送回。正如前述，入門套件是最佳的途徑，可迅速開發代碼並於矽晶片中實現。此外，入門套件一般具有多項功能，可讓設計人員快速將其設計範疇擴大到超越入門套件。

矽智財權

許多設計融合了固定或已知的功能，如通信（即乙太網路和ATM）、匯流排界面（即PCI和CAN）或多媒體（即JPEG和M-JPEG）。FPGA供應商已開發了這些固定功能區塊的程式庫。這些程式庫如可提供給客戶使用，便有助於設計人員加快產品上市。假如系統設計人員在需要時被迫要自行建立這些模組，就會耗費資源，而這些資源本來應該要用於強化設計方面，以勝過其競爭對手。由於這些模組大部分用於與FPGA外面的元件和系統介面，因此能符合標準非常重要。所以，設計創造只是產生這些程式庫的一部分。IP驗證、確認和一致性測試是創造可靠的IP程式庫之主要組成部分。

入門套件基礎

每個入門套件應該由幾個關鍵部分組成。儘管每個供應商的套件都會有所不同，下面是標準FPGA入門套件應有的基本元件：

硬體

入門套件的核心是用於設計的真實元件。FPGA安放在帶有支援電路和許多介面功能的電路板上。為了在系統中工作，FPGA一般需要支援電路。但所需的支援電路數量卻因FPGA技術而異。還需要最低限度的電源和時脈源。SRAM FPGA技術也需要額外的元件，如：低電壓檢測元件、啟動PROM和CPLD，以確保系統通電時的穩定性，這是因為以SRAM為基礎的元件並不是通電運行的。以Flash為基礎的FPGA入門套件不需要額外的支援硬體，使得設計人員能夠評估非揮發性 Flash FPGA技術的所有優點。

為了加速設計開發，入門套件板一般還支援與外接板和系統的通信和互動。管座（header）把I/O引出和標準通信連接器，如RJ-45和DB-9是最常見的標準連接器。通常還帶有除錯埠，一般是JTAG。常見的還有開關和狀態顯示LED，以供用戶在開發和評估過程中採用。額外的硬體包括電源和連接電路板至PC主機的纜線。

軟體工具

當然，如果不能創造設計並將其編程到FPGA中，硬體板便會失去意義。入門套件備有一套開發軟體。由於這些軟體工具是與套件一起“免費”供應的，因此通常都會有時間限制，或是全功能版本的精簡版。這些工具的提供是為了讓開發人員進行適當的矽晶片評估，當然，也是為了吸引開發人員購買全功能的軟體版本。然而，所有入門套件都不盡相同，較佳的套件當然具有全面和完整的軟體工具，沒有時間限制，以及全面的除錯和編程能力。

工具套件因供應商而異，但大部分套件都支持一些基本功能。為了進行設計創造和驗證，用戶可利用工具套件導入或創造出設計。要實現設計，就須支持設計編譯、電路板設計和佈線佈局。最後，為了將設計導入FPGA中，還要產生設計位元流。位元流的來源取決於FPGA技術。對於以揮發性SRAM為基礎的FPGA，位元流會載入入門套件的配置記憶體中。而使用非揮發性FPGA時，位元流會直接編程至元件中。大多數入門套件都提供設計範例和指導手冊，以提升新工具和新開發環境的學習效率。

指導手冊

好的入門套件會提供指導手冊，能迅速及清楚地告訴用戶如何進行設計創新和元件編程。舉例來說，入門套件所具備的完整指導手冊需能協助設計人員評估以 Flash為基礎FPGA的獨特能力，並且需比SRAM FPGA所能提供的優秀。入門套件的目標是讓設計人員立即開始編碼及對評估板進行編程。在被控制的環境中採用已知的良好代碼展開設計，有助於設計人員熟悉工具、流程和硬體的應用，無需考慮編寫可用的代碼。此外，一些入門套件還會提供PCB原理圖，可以讓設計人員基於已知的工作電路板設計進行佈局，大幅節省開發時間。

結論

分析師預測量大的消費性電子應用將於未來幾年強力支持可編程邏輯市場的高速成長，到2008年市價會達11億美元之巨。其中，低成本FPGA市場的成長會占整個消費性電子市場的一半。此一成長也會為市場帶來龐大的壓力，需要更有效及快速地將新設計投入市場。要實現此一目標最簡單的方法之一，便是利用FPGA入門套件，這種方法擁有許多優點，包括加速產品上市時間和能夠評估目標FPGA對於指定計畫的適用性。

（作者為Actel Flash產品行銷總監）

延 伸 閱 讀	未來智慧手機的電源管理技術 可編程邏輯元件的應用日益普及，但是在工程師當中，仍然存在一些模糊的概念。本文詳細介紹了可編程元件，可重編元件和可重配置元件的基本概念，他對正確選擇元件很重要。相關介紹請見「 可編程邏輯元件FPGA/PLD衝擊未來的系統設計」一文。 新興企業日前聲稱研製出一種FPGA系列的原型，工作時脈頻率可超過650MHz，而功率比其它可程式邏輯供應商達到最新技術發展水平的FPGA產品還要低。你可在「 新興企業研究最新FPGA 頻率超過650MHz 」一文中得到進一步的介紹。 在2004年全球ASIC/FPGA市場上居首位的是美國德州儀器（TI）。TI在2003年首次超過了在銷售額上長期保持首位的美國IBM。而且，2004年的銷售額比上年增加了36％，與IBM迅速拉開了差距。在「 2004年ASIC/FPGA全球排名TI獨佔鰲頭」一文為你做了相關的評析。

市場動態

TI推出一顆高效率電源管理元件，它是以最新研發的類比製造技術為基礎，專門支援智霖的Spartan II/IIE/3系列FPGA產品。利用這顆新推出的三通道元件，設計人員只需搭配更少的外部零件，就能提供給消費性、通訊和數位視訊應用中的完整FPGA電源系統。相關介紹請見「 TI提供高整合度電源管理元件支援Xilinx FPGA」一文。 隨著量產型低成本FPGA(如Altera的CyClone系列和Xilinx的Spartan系列)的價格趨近3美元 左右，FPGA不僅開始在消費電子市場上挑戰傳統的固定功能ASIC的地位，而且也開始向工業 用便攜式應用市場滲透。你可在「 低成本FPGA在工業便攜式系統設計中獲得應用」一文中得到進一步的介紹。 Altera公司在CCBN 2005上展示了業內第一個面向Video Over IP的FPGA解決方案。Video Over IP是一種在IP網路上傳輸視頻的數位技術。與其他方案相比，該方案同Altera FPGA的結合 實現了更低的成本、更高的集成度和更大的靈活性。在「 Altera展示業內首個面向Video Over IP的FPGA解決方案」一文為你做了相關的評析。