FPGA 发展之路: 将功耗和价格降低一万倍

-------- 探索FPGA 发展的不同时代

作者：Steve Trimberger，赛灵思公司，美国电子电气工程师协会 (IEEE) 研究员、美国计算机协会 (ACM) 院士、美国国家工程院院士

FPGA 器件自问世以来,已经经过了几个不同的发展阶段。驱动每个阶段发展的因素都是工艺技术和应用需求。正是这些驱动因素，导致器件的特性和工具发生了明显的变化。FPGA 经历了如下几个时代：

•    发明时代
•    扩展时代
•    积累时代
•    系统时代

赛灵思于 1984 年发明了世界首款 FPGA，那个时候还不叫 FPGA，直到 1988 年 Actel 才让这个词流行起来。接下来的 30 年里，这种名为 FPGA 的器件，在容量上提升了一万多倍，速度提升了 一百倍，每单位功能的成本和能耗降低了一万多倍(见图 1)。


图 1：与 1988 年的赛灵思 FPGA 特征对比。价格和功耗降低一万倍。

这些进步主要由工艺技术所驱动， 而且人们很容易认为 FPGA 的发展只是随着工艺的发展简单地增大了容量。其实并没有这么简单。真正的故事要精彩得多。

发明时代：1984-1992 年

首款 FPGA，即赛灵思 XC2064，只包含 64 个逻辑模块，每个模块含有两个 3 输入查找表 (LUT) 和一个寄存器。按照现在的计算，该器件有 64 个逻辑单元——不足 1000 个逻辑门。尽管容量很小，XC2064 晶片的尺寸却非常大，比当时的微处理器还要大；而且采用 2.5 微米工艺技术勉强能制造出这种器件。

每功能的晶片尺寸和成本至关重要。XC2064 只有 64 个触发器，但由于晶片太大，成本高达数百美元。产量对大晶片来说是超线性的，因此晶片尺寸增加 5% 就会让成本翻一倍，让良率降至零，同时也导致初期的赛灵思无产品可卖。成本控制不仅仅是成本优化的问题；更是牵扯到公司生存问题。

在成本压力下，FPGA 架构师寻求通过架构和工艺创新来尽可能提高 FPGA 设计效率。尽管基于 SRAM 的 FPGA 是可重编程的，但是片上 SRAM 占据了 FPGA 大部分的晶片面积。基于反熔丝的 FPGA 以牺牲可重编程能力为代价，避免了 SRAM 存储系统片上占位面积过大问题。1990 年，最大容量的 FPGA 是基于反熔丝的 Actel 1280。Quicklogic 和 Crosspoint 也跟随 Actel 的脚步开发出基于反熔丝的 FPGA。为提高效率，架构经历了从复杂的 LUT 结构到 NAND 门再到单个晶体管的演变。

在发明时代，FPGA 是数量远远比用户的应用产品小得多。因此，多 FPGA 系统变得流行，自动化多芯片分区软件成为 FPGA 设计套件的重要组成部分。自动布局布线尚未有。完全不同的 FPGA 架构排除了通用设计工具的可能，因此 FPGA 厂商就担负起了为各自器件开发电子设计自动化 (EDA) 的任务。由于问题比较小，FPGA（逻辑和物理）手动设计是可以接受的。手动设计与优化通常很有必要，因为芯片上布线资源有限会带来很大设计挑战。  

扩展时代：1992-1999 年

FPGA 初创公司都是无晶圆厂的公司，在当时属于新鲜事物。由于没有晶圆厂，他们在上世纪 90 年代初期通常无法获得领先的芯片技术。因此 FPGA 开启了扩展时代，此时落后于 IC 工艺的发展。到上世纪 90 年代后期，IC 代工厂意识到 FPGA 是理想的工艺发展推动因素，由此 FPGA 成为扫除工艺发展障碍的利器。代工厂只要能用新工艺产出晶体管和电线，就能制造基于 SRAM 的 FPGA。每一代新工艺的出现都会将晶体管数量增加一倍，使每功能成本减半，并将最大 FPGA 的尺寸增大一倍。化学-机械抛光(CMP)技术允许代工厂在 IC 上堆叠更多金属层，使 FPGA 厂商能够大幅增加片上互联，以适应更大的 LUT 容量(见图 2)。  


图 2：FPGA LUT 和互连线路的增加。线路长度以数百万晶体管间距来测量。

占位面积变得不再像发明时代时那么宝贵。现在，占位面积可让位于性能、特性和易用性。更大的 FPGA 设计需要具有自动布局布线功能的综合工具。 到上世纪 90 年代末，自动综合、布局和布线已经成为设计流程的必要步骤。FPGA 公司的命运对 EDA 工具的依赖程度不亚于对 FPGA 功能的依赖程度。

最重要的是，实现容量翻番和片上 FPGA 逻辑成本减半的最简单方法是采用新一代工艺技术节点，因此，尽早采用新的工艺节点意义非凡。基于 SRAM 的 FPGA 在这个时期实现了明显的产品优势，因为它们率先采用了每种新工艺节点：基于 SRAM 的器件可立即使用密度更高的新工艺，而反熔丝在新节点上的验证工作则额外需要数月甚至数年时间。基于反熔丝的 FPGA 丧失了竞争优势。为获得上市速度和成本优势，架构创新与工艺改进相比就要退居其次。