随着半导体工艺技术向90nm以下发展,IC设计的难度与复杂度日益攀升。工艺技术的进步为器件带来了性能和成本上的优势,但时也引发诸多设计挑战。例如,在65nm节点,功耗、软硬件协同设计变得更加重要。此外,进行65nm设计还要面对更加严格的约束和更多的规则,以及信号完整性、测试和可靠性、掩膜成本、总成本等挑战。而可测试性设计、内置自测试、压缩和其它技术都是控制65nm设计成本所必需的。

为应对先进工艺所带来的设计挑战,半导体厂商不断寻求资本和技术上的战略联盟,加强与代工厂商的合作,这种趋势还将延续到90nm以下节点。作为首家推出90nm工艺FPGA产品的半导体厂商,赛灵思又开始向65nm领域进发。去年底赛灵思宣布将其与台联电(UMC)的合作延伸到65nm及更精密的工艺技术研发中,并已开发出65nm FPGA原型晶圆。此外,双方还宣布进入45nm FPGA开发前期的工艺定义阶段。

也许是鉴于65nm级设计的诸多挑战,为确保设计成功并为客户提供更多选择,赛灵思采取了多代工源策略。除了与UMC合作外,该公司还与东芝就共同开发下一代65nm级FPGA达成协议,并生产出65nm FPGA原型晶圆。东芝是目前全球少数几家能够批量生产65nm产品的制造商之一,目前该公司已开始45nm工艺的研发工作。据悉,赛灵思还将与东芝协商就45nm FPGA开发进行继续合作的可能性。

图1 随着半导体工艺向更精密节点发展,ASIC的NRE费用和设计反复风险渐增。

赛灵思公司可编程逻辑方案部产品技术副总裁汤立人表示,赛灵思与UMC和东芝在65nm FPGA的合作方面并无差别,研发成果也会同时宣布。他透露,2006年中期,将会推出首款65nm FPGA产品。赛灵思的下一代Virtex系列产品将率先采用65nm工艺,其后会引入到Spartan系列。“采用65nm工艺技术可使FPGA器件的性能翻番,成本减半,能帮助客户进一步缩小产品尺寸、降低成本与功耗。”汤立人介绍说。

在推进65nm FPGA发展的进程中,曾创建无晶圆生产线(fabless)半导体企业模式的赛灵思又提出第二代fabless模式(Fabless 2.0),该模式强调设计与制造相结合。与Fabless 1.0相比,Fabless 2.0可以选择需要优化的参数(如速度、成本、性能、功率等),为产品选择成本优化的工艺,实现可制造性设计和可测试性设计。汤立人指出,Fabless 2.0代表整个半导体产业的一种发展趋势。

在Fabless 2.0模式下,赛灵思表示将进一步提升FPGA的竞争力。伴随半导体工艺技术的演进,FPGA与ASIC/ASSP的竞争已持续多年。作为主要的PLD供应商,赛灵思一直在推动FPGA成为ASIC和ASSP的替代方案。基于90nm工艺的FPGA器件在高性能处理能力和系统集成度方面获得大幅提升,业界出现ASIC设计项目减少的趋势。FPGA的设计灵活性和不断增强的性能也使可编程逻辑器件厂商获得了显著的市场增长。先进工艺技术的发展促使ASIC/ASSP的NRE成本以及设计反复风险大幅提高(如图1所示),从而凸显出FPGA近乎零NRE的优势。

不过,结构化ASIC的出现,使FPGA供应商又面临新的竞争。市场研究公司Frost&Sullivan的一项调查报告指出,随着IC产业的技术创新和对高性能电子系统需求的不断增加,结构化ASIC的市场需求也将不断增长。该公司的分析师Sivakumar表示,结构化ASIC可将NRE成本降低85%。由于结构化ASIC的低成本、短上市周期和不断提高的性能,相当一部分FPGA市场将被结构化ASIC侵蚀。

图2 相同工艺节点下,ASIC和FPGA的成本与产量关系比较。

尽管结构化ASIC的势头不弱,但赛灵思仍坚持相信FPGA会是未来的主流设计架构。为抗衡结构化ASIC,赛灵思推出EasyPath 方案。“通过冗余技术标准和测试技术,EasyPath可将FPGA的成本降低80%。”该公司亚太区市场营销总监郑馨南介绍,采用此方案,用户不需要进行任何转换和功能再验证就可实现FPGA向低成本器件的过渡,其NRE费用不到8万美元。

而在面对低成本FPGA挑战时,结构化ASIC也显露出一些弊端。例如,对于较大规模的IC设计公司,虽然结构化ASIC在初期有助于降低成本,但并不利于长期成本的降低。此外,设计中的串扰和信号完整性问题,以及如何得到最终用户认同等也是结构化ASIC尚需解决的问题。随着65纳米工艺的到来,结构化ASIC同样会面临更高的NRE费用和设计反复风险。如图2所示,结构化ASIC与FPGA的交叉点会上升。

另外,Gartner Dataquest公布的分析报告还显示:2005年ASIC和FPGA/PLD的增长率分别为3.9%和5.8%；预计2006年,两者的增长率将分别达到8.3%和13.4%,FPGA的发展速度明显高于ASIC。未来几年内,尽管ASIC仍是创造IC销售收入的主体,但随着芯片密度及效率的不断提升,以及市场对于设计灵活性和降低成本的迫切需求,FPGA将成为介入设计初期的主流器件。同时,65纳米及更精密工艺技术的发展也有助于进一步增强FPGA的竞争力。

作者:胡萍