從28奈米到3D堆疊，FPGA身價突然翻漲，不再是過去那個扮演配角的被支配角色，反而由於其功能大躍進、重要性大增，目前在許多應用中，已經逐漸成為支配系統運作的主角。而現階段FPGA的三大發展方向：28奈米、3D堆疊，以及SoC系統化，也成為FPGA制霸市場的決勝關鍵。

FPGA從配角變主角

FPGA市場對於28奈米的爭霸，已經從幾年前的藍圖佈局，到產品試製，到目前已正式量產，也宣告FPGA真正走入了28奈米製程的新階段。主要廠商包括Altera、Xilinx、Lattice等，紛紛端出28奈米FPGA大餐餵飽市場那張飢渴的大嘴。28奈米與FPGA劃上等號，只要擁有28奈米產品，就象徵了該廠家所擁有的技術實力與研發創新，而端不出這道菜，似乎在市場競爭中，就少了能抓住客戶胃口，以及能與對手抗衡的利器。

圖一 : 系統化FPGA就像是積木一樣，把所需的功能一塊塊拼成系統，然而不是所有的廠商都玩得起這場金錢遊戲。

先來看看28奈米製程的FPGA到底好在哪裡，重要性又是什麼。FPGA走入28奈米製程之後，不僅功能與整合度能超越傳統FPGA，最重要的是，產品性價比也進一步逼近ASSP與ASIC。這意義在於，過去FPGA在系統中的定位，主要是協助ASIC、ASSP等核心處理器來處理數據、提供I/O擴充等功能，其定位是『配角』；但走入28奈米製程之後，FPGA可突破以往功耗過高的問題，成為高性能、低功耗以及小尺寸的代名詞。

再加上FPGA業者不斷提升IP及開發工具的支援能力，使FPGA在系統中的角色越來越重要，近年來更直接從配角，升等為『主角』，例如近來時常聽到的SoC FPGA就是一個例子，FPGA就是完整系統，這也讓FPGA將取代ASIC與ASSP成為一個熱門話題，並持續在市場上發酵。

事實上，由於電路結構較為單純，FPGA一直都是率先採用先進製程的半導體元件，這也就是FPGA一直能有製程技術突破的主因。而採用更新的製程技術，也讓FPGA的功能不斷強化。回顧FPGA從1990年代取代膠合邏輯（Glue Logic）元件、2000年代試圖取代ASIC、DSP等元件，到現在2010年代，正式跨入28奈米世代，其高度整合性讓FPGA一舉跨越既有的微處理器市場，將觸角伸入到高效能運算、儲存、汽車、工業控制等更廣泛的應用領域。

28奈米讓FPGA如虎添翼

依據市調公司的研究數據來看，ASIC的確受到FPGA的沈重壓力。Gartner分析，受全球金融風暴影響，2009年起FPGA取代ASIC的趨勢更為明顯，兩者採用比重已經達到30：1。由於成本因素，許多公司紛紛延後甚至取消ASIC的設計案。

由於FPGA提供了成本優勢，加上不斷在製程與功能上精進，讓開發者更樂於採用FPGA。傳統的FPGA優勢不外乎可編程、快速上市與低開發成本，這對於沒有高量產需求且產品規格特殊的應用市場相當受歡迎，讓業者免去開發ASIC的高成本，同時提供ASSP所缺少的差異化。這讓包括軍事、工業和網通等產業，成為FPGA的主力市場。

但過去FPGA因耗電與成本過高，難以打入功耗敏感與成本敏感兩大敏感市場，無法大量生產。但隨著製程不斷升級，加上業者推出低價化和超低功耗產品後，讓FPGA擺脫瓶頸，直闖高量產市場。

只不過，這意味著ASIC被宣判死刑，而FPGA從此可以躺著賺嗎？倒也未必。儘管FPGA在功耗方面有所進步，但比起ASIC仍嫌不足，特別是在動態與靜態電源管理、及漏電等問題。此外，在高量產市場，短期內FPGA仍難敵ASIC既有的成本優勢。

專家就曾表示，ASIC的開發成本並不如外界所想的高，加上晶圓技術不斷進步，目前晶片設計成本已越來越低。且系統的開發，也不單只是成本考量，性能優化、使用體驗與商業模式等，也都是關鍵。ASIC雖後有FPGA追趕，但成長動能並沒有消失。

因此，從28奈米開始的FPGA趨勢，應該說，28奈米FPGA把電晶體密度增加，更提升了電耗控制與設計彈性，此對ASIC和ASSP的威脅將更大，然而說會從此取代ASIC仍言之過早，畢竟28奈米FPGA是否真能對市場產生決定性影響，還有待時間觀察。而這段時間，ASIC也將持續精進。因此這場戰爭並非結束，其實反倒可以期待一場新局面的開始。

3D堆疊打造異質系統

3D IC技術在市場上醞釀已久，卻遲遲停留在只聞樓梯響，不見人下來的階段。然而，3D堆疊架構對於晶片間的異質性整合，其實扮演著十分重要的角色，特別是極力打造SoC晶片的半導體設計商們。而3D堆疊的晶片整合方式，將在FPGA上率先實現。

目前FPGA大廠Xilinx在其高階元件上，已經開始採用3D堆疊架構，這也是全球首款異質的3D FPGA晶片，主要技術基礎是透過SSI（堆疊晶片互聯），將 FPGA與收發器進行整合，這同時也是一種創新。Xilinx未來更多的FPGA產品，包括最新的ZYNQ平台，都會採用3D堆疊的方式來設計。

Xilinx指出，儘管一般人認為3D堆疊的方式會增加封裝方面的成本，然而就良率的角度來看，同樣面積的晶片上，有相同數量的邏輯閘，若採用單一塊晶片，對比切割成更小的區塊，透過立體堆疊方式製作的3D晶片，則採用3D堆疊的方式，將會有更高的良率。

主要的原因在於，晶片上邏輯閘的數量越多，晶片的良率相對將會較難提高。以同樣面積的晶片來看，若將晶片切割成更小單位晶片，每單位的邏輯閘數目相對減少，更可以提高每個單位晶片的良率。將這些良率更高的晶片，透過3D堆疊的方式整合在一起，堆疊後邏輯閘的數量是一樣的，也就是運算效能相同。而由於每單位晶片邏輯閘數目更少，生產過程良率高，無形中成本將會更為降低。

此外，Altera亞太區工業市場開發經理江允貴也認為，採用3D堆疊，還有更多好處。透過平面的線路傳輸訊號，會花費更久的時間。如果採用垂直方式來傳遞訊號，速度將會更快。3D堆疊主要是讓單位晶片面積更小化，再採用堆疊方式來提高邏輯閘密度。透過垂直的金屬互聯層傳遞訊號，等於面對面這樣的迅速，這對於FPGA的處理效能將會大大的提升。3D堆疊將非常適合低密度、多IO、小包裝的FPGA系統設計。

3D堆疊，無疑將成為FPGA未來征服市場的一大利器。特別是未來FPGA將朝向SoC方向發展，透過3D立體堆疊，讓FPGA的整合之路將更為順遂。

整合大勢起 系統化FPGA戰火燃

系統整合是晶片發展的重要趨勢，自然FPGA也將遵循這個原則。在接下來的十年，SoC FPGA設計趨勢將蔚為風潮。SoC FPGA是整合了FPGA、實體處理器以及其他硬體IP元件的SoC晶片，由於市場需求、技術成熟與商業競爭等因素推動下，使得SoC FPGA的戰火開始點燃，包括Altera、Xilinx、Cypress與Intel等廠商，都已經磨刀霍霍，在未來十年，相關廠商在這戰場上肯定有得打。

從傳統FPGA，走向全新的SoC FPGA發展，主要有幾個關鍵的推動力，包括FPGA開始採用28奈米的先進半導體製程技術，透過摩爾定律來達到更高的成本效益；同時，CPU的運算效能越來越強大、多核心與平行運算逐漸普及，加上嵌入式系統採用FPGA的比率愈來愈高，都是推動SoC FPGA前進的幕後功臣。

由於成本要求日益嚴苛、製程技術成熟和市場需求增加的因素推動下，SoC FPGA時代已經來臨。目前已有部分FPGA廠商正式推出了SoC FPGA相關產品，落後的廠商則更加緊腳步研發中。在方案選擇性眾多的情況下，系統設計人員於評估系統解決方案時，可以認真考慮平台效應、IP重複使用以及FPGA製程技術優勢，以獲得最佳的解決方案。

目前，Altera已經與主要的CPU供應商ARM、Intel和MIPS策略合作，為SoC FPGA元件和CPU核心提供FPGA平台。這種合作關係能夠提高CPU架構使用彈性，沿用高階FPGA設計流程，進而在該平台上增強IP重複使用性，讓靈活度提高。這種整合方法將實現平台效應，並促使SoC FPGA的成長和發展。

江允貴認為，目前只有動作較為積極的大廠，才會將SoC FPGA作為主要發展方向。畢竟不是所有的FPGA都需要朝SoC的方向來行進，例如只是簡單的控制功能，就不需要走向成本更高的SoC。重點是，不是所有的廠商都玩得起這場昂貴的遊戲。

只不過，對於大廠來說，能將系統完整整合，一來全部通吃擁有獲利商機，二來由於規模夠大，也有足夠的資源能夠投入開發SoC晶片，何樂而不為。最重要的是，當SoC已經成為趨勢，整個系統幾乎都被有能力的大廠給吃下，規模不大的廠商將失去生存空間。這也讓現有的FPGA業者有了危機意識，不得不投入發展更有競爭力的系統化FPGA。

工業控制讓FPGA重返榮耀

多年前，台灣由政府的兩兆雙星政策帶頭，面板與DRAM兩大產業風光帶領台灣迎向一個美好的半導體大未來。只不過，幾年的時間過去了，過去這兩個大家寄予厚望的產業，如今卻成為不知該從何救起，也不知該如何結束的燙手山芋。

在過去這個雙D獨領風騷的年代，一般人絕對連看都不會看工具機一眼。隨著雙D時代凋零，台灣出口一再衰退，國人試著找出還有什麼能讓台灣救亡圖存的技術或產品，卻發現台灣的工具機產業一枝獨秀，既使走過2008年的金融海嘯，卻依然健壯，2011年台灣雙D產業欲振乏力，然而同一時間，台灣卻是全球工具機的第四大出口國。踏破鐵鞋無密處，原來，能帶領台灣獨步全球的關鍵產業，就默默藏身在你我身邊。而滿足工具機需求的工業控制應用，正提供了FPGA再一次成長的新動能。

江允貴說，目前全球針對工業自動化市場，有三大挑戰，第一是強調性能的提升，不論是智慧電網、或者自動化生產工具機等應用，都強調性能的提升。性能提升的關鍵，不外乎就是節能減碳、提高效率，例如採用效能更好的變頻器。而第二部分是降低成本，可透過單晶片來達成此目的，減少使用過多零件的缺點。此外，多軸化控制，也能讓工業機器手臂進行更為複雜的操作，減低所使用的手臂數。

第三則是強調功能安全，也就是保護機器不受損壞、人員不會傷亡。畢竟機器萬一停機，所造成的損失可能非常可觀，而工作人員更不能因為操作機器而造成生命上的安全顧慮。FPGA之所以在工業市場越來越受到重視，就是因為其本身的特性，可針對這三大挑戰進行最佳化的參考設計，提升性能、降低成本，並增加功能安全。讓FPGA在工控市場上，平步青雲。

圖二

結語

從過去系統的配角，到今日系統的主角。FPGA挾其高整合、高效能、高靈活的『三高』特色，目前在各大領域都開始嶄露頭角。除了通訊、儲存與車用之外，包括工業控制、監控系統與智慧電網，採用FPGA的比例越來越高。我們可以說，FPGA的時代真的到了。想在半導體產業找出火熱的新話題，FPGA絕對當之無愧。

FPGA四大工控應用

以Altera的FPGA產品在工業控制領域的應用發展來看，包括四大區塊，即工業乙太網、工業安全、馬達控制、設計應用方法。分述如下：

工業乙太網

工業乙太網不只是在工業自動化、在運動控制、智慧電網、高鐵車廂、捷運自動門、紡織機、工具機等，都能使用到工業乙太網。早期工業設備連接線一捆非常龐大，現在只要透過單一條乙太網路線就可以傳送命令與資料。

當然工業用乙太網與一般家用乙太網所採用通訊協定並不相同，畢竟工業應用還必須擁有更大的可靠度與容餘空間，以免訊號傳輸中斷，導致整條作業線停擺，然而其基本精神是相同的。只不過，工業乙太網的解決方案供應商頗多，各廠都推出自有規格，形成了工業乙太網規格紛亂，市場群雄割據的情況，沒有特定的標準。

面對這種情況，FPGA正好可以完全發揮其優勢。由於FGPA是可程式化的邏輯晶片，因此廠商需要不同標準的通訊協定，只要把通訊協定的IP寫進FPGA裡，隨時都可因應需要而進行改變，完全具有彈性與靈活性。反觀ASIC這種邏輯元件，由於不具有可程式化的優勢，無法改寫，只能選定一種協定，不能再改變，毫無彈性可言。當然另有一種採用插卡式的解決方案，但也不如FPGA來得方便靈活。因此FPGA可以說在工業乙太網的應用佔了上風。

圖三 : 3D異質性堆疊儘管難度高，但非常適合低密度，多IO，小包裝的系統設計，這也是FPGA稱霸市場的一大利器。

工業安全

在工業安全的部分，歐洲國家於2010年起已經強制實行IEC61508安全標準，希望透過該標準來保障員工與生產線流程的順暢，機器不要損壞、人員不要傷亡，所有的工業機器設備都必須符合這樣的標準，並由政府強制執行，若未符合標準，廠商甚至無法投保意外險。

而工業用的機器整體是否安全，與所採用的關鍵元件非常有關係。這包括PLC、HMI、伺服器、驅動馬達、工業乙太網路等，這些都是組成一個工業生產設備的重要元件，各環節都必須是安全無虞並符合IEC61508標準的，才有辦法降低故障的發生率，讓功能安全達到最高標準。

FPGA是可程式化邏輯元件，在工業控制應用中扮演非常重要的角色，其安全性當然更受到重視。目前在所有的半導體大廠中，Altera是最先讓自家元件與軟體，通過德國來茵IEC61508認證的廠商。工業應用的特性，是少量、多樣、客制化、標準不一，且產品的生命週期很長，一具工業機台，使用時間多則可達10～20年，甚至應用於電梯的元件，使用時間更可長達30年以上。也因此，半導體廠商必須要能持續供應零件如此長的時間，還必須同時確保穩定性與可靠度。

獲得認證標準的廠商，便代表其FPGA產品符合了工業應用的功能安全標準，也就是產品發生失效的機率很低，可以保護員工生命安全，並降低工廠機器損壞率。看準FPGA對於工業安全的重要性，相關廠商未來勢必也將以通過功能安全標準為最高原則。

馬達控制

在馬達控制方面，FPGA所能提供的兩大優勢，包括性能的提升與成本的降低。性能提升的關鍵，在於提高系統運作效能，降低馬達溫度；至於成本的降低，則在於多軸控制。

但越多軸的馬達，其運算就越複雜。早期的處理方式，是採用FPGA外加DSP來進行運算處理，現在透過SoC的設計，例如Altera在單晶片中整合了FPGA與雙核心的ARM處理器，不僅可編程的特性能滿足不同的應用需求，雙核心處理器也能進行複雜的運算。單一晶片就可以控制多個馬達，且也可達到安全的目的。

這是FPGA在走向SoC化之後所發揮的獨特優勢，透過其可並列運算的特點，比起串列運算的DSP更具效能。工業應用的趨勢，若是朝向多軸控制、複雜運算的方向發展，那麼採用FPGA肯定是未來工業應用的王道。

圖四 : 解決機器手臂所需的多軸控制與複雜運算，正是FPGA的拿手好戲。

Lattice為行動應用帶來創新

Lattice的產品注重低成本與低功耗，但性能也沒被犧牲，其新的iCE40系列解決方案，採用40nm標準CMOS製程生產，頻率達150MHz，性能比前一代的產品提高了50％，能滿足大多數的消費性產品，且採用高速LVDS通道，傳輸速率高達525 Mbps，能在影像播放上，支援1080p @ 30Hz的高畫質影片，播放品質絕不打折。

「消費性電子一定會不斷追求性能的突破，因此目前的產品過一陣子也將無法滿足需求，Lattice當然也注意到這些問題，並已著手開發性能更卓越的下一代產品。」Lattice消費及行動產品策略行銷部總監Gordon Hands說。

透過Lattice的解決方案，已有數家消費性電子商研發出創新的產品應用。例如一家數位相機的製造商，就採用Lattice的方案，研發出一種雙顯示螢幕（Dual Dislay）的創新數位相機，讓使用者自拍更便利；另一個案例則是智慧型手機，業者就透過使用Lattice可編程方案的Sensor Hub功能，來管理和控制眾多的感應器（Sensor），例如觸控感測、陀螺儀、加速度計等，不但讓感應器更有效率，手機整體的性能也能提高。

圖五