平台化ASIC迅速打开市场

摘 要：平台化专用集成电路( Platform ASIC)是一类新推出的产品，其应用目标是减少上市时间和降低设计成本。从日渐增多的相应新设计可以看出，平台化ASIC前景一片光明。

　　战略规划方面的前提假定

　　专用集成电路平台将流行开来，在2007年以前，它将使每年新ASIC设计项目启动数量升至1000项以上(0.8的概率)。带处理器核的现场可编程门阵列(FPGA)在21世纪的头10年末将占到全部FPGA设计数的1/3以上(0.7的概率)。

　　平台化设计：技术自然发展的结果

　　平台化ASIC是从以往推出的ASIC产品自然演化而成的一种技术。业界的技术平台已经从门演化至单元(cell)、到多核、再到今天的平台，在平台技术中，几乎一半的芯片都已经预先确定而且经过了验证，构成一个很大的组成模块。它是微电子行业针对缩短上市时间、降低设计成本等要求而给出的解决方案，其方法正是设法实现高水平的设计复用。

　　随着工艺技术从0.18mm转向0.13mm和90nm，ASIC设计成本已经比原先的水平增加了一倍以上，这使得大批用户放弃了传统的ASIC产品。传统的、基于单元的ASIC，其总设计成本，包括掩膜成本和工程开发时间在内，从1000万美元上升到了1500万美元。因此，如果要让ASIC技术继续在小型和中规模系统中找到应用的话，就必须采取一定的措施。ASIC供应商已经给出了这一问题的答案：一族称为平台化ASIC的新型ASIC产品，其中的一些产品有时亦称为结构化ASIC。平台化ASIC极大地降低了设计成本，使之能作为一种经济的解决方案，应用于器件收入仅有150万美元的设计中。

　　平台化ASIC市场填补了传统的FPGA和基于单元的IC之间的空白，FPGA公司也希望从这一新兴的市场上分到自己的一份，已经针对它推出了为数众多的新产品。平台化ASIC现在处于产品推广的早期阶段，正等待市场的接受，但这些产品的未来一片光明，因为对于能够缩短上市时间和降低设计成本的解决方案来说，市场时机已经成熟。

　　产品的界定

　　ASIC平台，是一种通过将预先定义好的知识产权(IP)嵌入器件的方法、使得将近一半的芯片部分都可以 预先确定下来而且经过验证的产品形式——用户只需对器件的一部分进行定制开发即可。Gartner Dataquest 按产品类型将市场分为3类：

　　虽然现在业内采用“结构化ASIC”(structured ASIC)一词，但我们相信它的外延过于狭隘，主要在论及基于阵列的平台产品时才使用。我们更愿意使用“平台化ASIC”一词，来涵盖基于阵列的平台、基于单元加PLD核的平台和基于单元的平台等3种产品。

　　产品分析

　　每一种类型的产品在市场上都有其价值，最终将由用户来对每一种产品进行评估，并选出最符合其应用具体要求的产品。在选择产品时，需要在很多因素间进行折衷取舍，包括性能、裸片尺寸、设计成本、上市时间和解决方案的总成本等，具体的方式取决于应用涉及的产品个数以及总价值。例如，基于阵列的平台是针对整个生存期中收入可达100万到1500万美元的设计。基于单元的平台则瞄准整个生存期中收入在1500万以上的高性能设计。

　　基于阵列的平台

　　基于阵列的平台这一概念出现已经有10多年了，一般被称为“嵌入式阵列”(embedded array)。LSI Logic是首家提供将大存储器模块嵌入到阵列中的嵌入式阵列产品的公司，但它们发现这种产品并不成功。问题在于：每个客户所希望的存储器的大小并不相同，过大的、固定的存储模块将带来额外开销过高的问题，而这意味着成本的上升。集成电路裸片面积，亦称为Silicon real estate，在10年前是决定器件成本的一个关键因素。时代已经变了。随着今天器件复杂程度的增加，影响成本的关键无疑已经变为设计工程师的薪水和掩膜版的费用。硅片制造的成本已大为降低——现在少量的未被使用的裸片面积几乎是不值钱的。由于系统的寿命期更短，上市时间已经愈发变得重要。

　　Gartner Dataquest相信，新一族基于阵列的平台的市场已经成熟。与基于单元的产品相比，基于阵列的平台可以缩短上市时间，而且让设计成本保持在相对较低的水平上，因为基于阵列的平台所需的自定制掩膜版数目更少，而设计的复用程度大为提高。设计者只需对最终的金属层掩膜版进行自定制开发，所以采用0.13mm技术时典型的掩膜版更换成本为10万美元，相比之下，基于单元的IC平台的全套掩膜版更换成本高达65万美元。在90nm技术下，掩膜版费用的差异更大，因为一整套掩膜版的成本将超过130万美元。

　　很多厂商—包括LSI Logic、NEC、AMI Semiconductor、Fujitsu、Chip Express以及最近加入的Altera—已经推出了基于阵列的平台。LSI Logic是行动最为积极的厂商之一，极力推销其RapidChip产品。LSI Logic在吸引新设计方面取得了实在的成果。LSI Logic开始是采用一个针对核心产品的更通用的平台方法，现在已经转向专门针对具体应用的方法，产品一开始针对存储应用的产品，现在则针对通信和消费类应用。很有可能出现的情况是，客户开始开发自己的“定制平台”，而让某家厂商，如LSI Logic，来制造。NEC 也从基于阵列的平台技术上获取了成功。它跻身于为数不多的几家既看到数量不少的新设计(报道的设计超过了20项)、又交付了数量颇多的产品且产量不断上升的公司行列。

　　AMI推出了一项有趣的产品，它充分强调了“低成本”的特点。AMI用Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) 的0.18mm工艺制造圆片基础，而设法在自己的加工厂中用0.25_m的金属互联按具体要求进行加工。Fujitsu是较新进入市场的一家供应商，已经开发了类似FPGA的一种独特的体系结构，它的整个器件布满了重复的标准逻辑模块，客户用最终的金属掩膜层完成其互连。Chip Express力推与众不同的、称为“信息攒钱罐(Memory Pig)”的产品，它带有大量嵌入式内存。Altera是最新加入该市场的厂商，它带来了HardCopy，该产品已经广泛引起了人们的很大兴趣，而且基于它出现了多项设计。Altera实现了从其高密度Stratix FPGA产品直接到以掩膜进行编程的部分的无缝过渡，从而可以免去可编程逻辑互联，于是大大降低了器件的成本。

　　Gartner Dataquest 开发出一种自下而上的基于阵列的平台模型，它根据公司情况以及从典型的单项设计收入情况推算出的项目收入来估计从2002年到2007年的新设计数量。图1示出了Gartner Dataquest关于阵列化平台ASIC的全球总收入的预测。我们作如下假设：

　　基于单元加PLD核的平台

　　人们很长时间以来一直梦想着能将一个FPGA核嵌入到一个ASIC中，但从未曾实现。很多厂商都试图实现这种产品，但没有一家获得过成功。LSI Logic和FPGA核供应商Adaptive Silicon是最早几家力推这一概念并试图开发出相应产品的公司之一，但它们遇到了很多困难，最终退出了该市场，其他PLD核供应商，如Actel和Leopard Logic，也积极推销这一概念并开发出了产品，但它们发现自己也不能培育出市场，于是改变了它们的战略发展进程。

　　设计流程和成本是各家公司所遭遇的主要问题。FPGA设计流程不同于ASIC，LSI Logic等公司发现，将它们融为一体需要完成的工作量极为繁重。不过，在把第一代产品展示给潜在的客户时，成本才是主要关心的问题。FPGA核占据了过多的芯片面积，所以从成本上来说是不可行的。

　　如今，3家公司正在开发的有影响的产品只有两种。虽然这些公司总共只有3家，不过它们可是大企业，不可等闲视之。IBM(领先的ASIC供应商)和Xilinx(领先的FPGA供应商)已经联手开发了一件采用90nm技术的产品。STMicroelectroncis 是其中的第3家公司，在ASIC和专用化标准产品(ASSP)销售额总和方面是业界的领袖。这些公司有很好的机会去开发基于单元加PLD核的平台，将其塑造成规模可观的市场。由于它们是各自市场的领导者，IBM和Xilinx无疑对设计流程有很好的理解，因此很有可能它们能解决遇到的设计流程方面的问题。至于主要的成本问题，所有过去的尝试都是基于0.13mm以上的工艺。IBM和Xilinx研究了成本问题，相信它们能让90nm和90nm以下的工艺标准成为一种经济的设计方案。系统公司正在探求这类器件的多种用途，包括解决芯片－芯片间通信问题、适应不断变化的标准以及修正芯片体内的功能错误，而且最终器件也可以用于可定义的处理应用。

　　我们相信，在2004年将看到IBM/Xilinx最早的设计开始进行，而器件的生产将在2005年逐步上升。我们还有望看到从一个基于单元＋PLD核平台的典型设计，它有3年的产品寿命期，每年的收入将达到约5~7百万美元。我们还预计设计数量将很少，但总的收入到2007年可达上亿美元的水平。STMicroeletronics是市场上的“百搭牌”(不确定因素)。它不仅尚未正式发布一件产品，而且有证据表明它在印度有一支庞大的、正在开发FPGA核的设计队伍，据信这一核将在成本方面得到优化，以嵌入到其ASIC产品中。STMicroelectronics已经多次提到，它将开发一种FPGA产品，该公司毫无疑问为塑造一件成功的产品而拨出了R&D预算。时间将会揭开答案。

　　基于单元的平台技术

　　基于单元的平台技术方面的新设计，虽然其预期的数量会很低，但每项设计的收入将高得惊人。大的系统公司正在设法生成各公司专有的平台，这些平台可以用于多方面的大批量市场，每项设计的收入将超过5000万美元。系统公司们可以获得大量的、常常嵌入到器件中的功能，然后通过改变整套掩膜的办法根据每项应用的情况对芯片的某一部分进行专门定制。虽然这并不象基于阵列的平台方法那样节省掩膜版的费用，但它却能以最小的芯片面积提供最高性能的产品。与传统的基于单元的IC产品相比，它能缩短上市时间，降低总的设计费用，因为它的设计复用比例很高。

　　在提供基于单元的平台技术的公司中，IBM和Texas Instruments是两个范例，我们预计以后更多的公司亦将跟进。IBM是基于单元的IC市场上的领导者，已经开发出一种称为“CCP”的基于单元的平台。这种产品瞄准了客户希望能缩短上市时间和降低设计成本的大批量和高性能产品市场。Texas Instruments提供了一种基于单元的、称为“OMAP”平台产品，它针对无线通信市场。种类繁多的基于单元的平台正在进入市场，故这方面的市场形势很难跟踪。很大一部分传统的基于单元式IC的市场将转移到平台化方法上来，因为它能保证更短的上市时间和更低的成本。

　　FPGA 抢夺平台化ASIC的市场

　　FPGA供应商正在开发新型的平台产品，其目标是攫取一块新兴的平台化ASIC(介于传统的FPGA和基于单元的IC之间)所占据的市场。一种新型的FPGA平台使用了嵌入式硬件处理器核，如PowerPC或ARM，另一种平台则采用了软处理器核，如Nios或MicroBlaze/PicoBlaze。

　　这一族新的FPGA平台正在获得大量新设计的支持，有潜力成为产业界的一支主要力量。我们相信，带有软件和硬件处理器核的FPGA，将在这个10年快结束前占到所有FPGA设计的1/3以上。虽然启动的FPGA设计的数目不少，但不应忘记的是，每项FPGA设计平均的价值并不与ASIC设计的相等。FPGA设计的价值要低得多，因为FPGA设计的相当大一部分只是用于样机验证方面，只会运行几行代码。

　　我们预计带软处理器核的FPGA将在该市场上占据最大的份额，占到2010年启动的FPGA平台设计总数的3/4以上。带软处理器核的FPGA正将快速起步。Altera已经出售了10,000套以上用于其软处理器核Nios的的设计软件包，Xilinx已经出售了数千套用于其MicroBlaze/PicoBlaze软处理器核的软件包。

　　带有嵌入式硬处理器核的FPGA也在业界取得了长足进步。这一市场上的两个玩家是推出Virtex－II Pro的Xilinx和推出Excalibur的Altera。这两家公司采取了不同的策略。Xilinx提供PowerPC，作为其嵌入式处理器核，将其放置于在每个Virtex－II Pro器件中，除了一款(最小的型号)。Altera提供的嵌入式 处理器核则是ARM ，只有客户要求时，才将其包括进去。

　　Xilinx显然是采取了“推的战略”——它无论客户需要与否都提供PowerPC核，坚信用户将发掘出该处理器的用处，最终采用它。Xilinx已经开始见到这种策略带来的成功，围绕它的新设计数开始飙升。它已经卖出约5,200套用于激活其Virtex器件中的PowerPC核或32bit MicroBlaze软件核的设计软件包。我们根据交付的评估板数量估计，这些软件包的一半正用于PowerPC，另一半用于MicroBlaze。此外，我们相信，为PowerPC核购买的此类软件包中的一半左右，今年内至少要生成一项设计，使得该公司2003年有约1300项采用PowerPC核的新设计启动。不少领域，包括军事/空间、通信(网络)、数据处理(打印机和复印机)及工业等都开始采用该产品。假设Xilinx在业界有约100,000个设计位置(这意味着约2.6%的客户有一套设计软件可以激活PowerPC核)而1.3%已经生成了一项设计。到目前为止，对于设计启动而言，考虑到该产品出现时间不长，这无疑是相当可观的成果，但对成功与否的真正衡量标准将是Xilinx能以多快的速度提高器件的收入。

　　Altera也看到其Excalibur产品得到了一定程度的应用，但应用的范围还是小于Xilinx包括在Virtex－II Pro中的PowerPC，更远小于Altera获得极大成功的软Nios 处理核。 我们相信 Altera的基于Excalibur的新设计启动数约为50项左右，而采用其Nios核的新启动的设计则有上千项。虽然Xilinx在其PowerPC/MicroBlaze Virtex产品方面提供了很多选择，但Altera正在通过Nios和HardCopy(基于阵列的平台)的推出予以还击。

　　产品间的比较

　　每一种类型的平台化产品都给市场带来了价值，对于特定的应用来说，最好的选择将取决于应用的特定的要求。表1对各种不同的平台产品的功能进行了比较。

　　平台化ASIC产品的设计启动数

　　Gartner Dataquest 采用一个自下而上的模型来估计每年新启动的采用平台化ASIC技术的设计的数量。我们进行了不公开的调查，了解各家公司在每种类型的平台上开发的、新启动的设计有多少，然后将整个行业的调查数据进行汇总。图2示出，2003年将有超过100件的平台化ASIC设计完成，而2004年将有近250件设计出现，我们预计2007年将会有1200件以上的设计出现。我们的前提假设如下：