November_FPGA Topics｜Global FPGA Technology Development Overview(Next)

Published On: 2023/11/29|Categories: 科技(Technology)|

In terms of technology development, FPGA development aims to replace ASICs. Before 2000, FPGA vendors generally converted the logic unit capacity of their products into the number of gate electrodes to facilitate customers to compare their products. At that time, most of the electronic products with complex functions used millions of gate electrodes of ASICs and ASSPs, and FPGAs with only 200,000~500,000 gate electrodes were unable to enter into the market, so increasing the number of gate electrodes became the main axis of FPGA technology development in the 1990s. Therefore, increasing the number of gates became the main axis of FPGA technology development in the 1990s. By improving the internal structure through the number of LUT inputs, clustering structure, connection lines, etc., together with the fast-developing semiconductor process technology, finally, in the late 1990s, Xilinx and Altera developed million-gate FPGAs, which began to accelerate the replacement of ASICs and ASSPs, and therefore, after 2000, FPGA vendors have been using millions of gates to replace ASICs and ASSPs. Therefore, after 2000, FPGA vendors switched to using the number of logic cells as the basic capacity indicator. Xilinx, for example, initially used 1 LUT4+1 register as the basis for calculation, but with the introduction of LUT6 and the growth in the number of registers and MUXs, the logic unit is now able to achieve the function of multiple LUT4+ registers. In the mid-1990s, vendors found that customers would frequently use LUTs as memories when using FPGAs, which resulted in the shortage of capacity. In the mid-1990s, vendors found that customers would frequently use LUTs as memory in FPGAs, taking up many logic units, resulting in insufficient capacity. Therefore, vendors began to add frequently used functions into FPGA hardware to significantly increase computing performance, so after 2000, increasing the integration level became the main axis of FPGA technology development. Therefore, the main performance items of FPGAs are process technology, logic unit, programmable input/output unit, power consumption, computing power, and embedded functions, which are described as follows.

製程技術 : 採用更先進製程的FPGA之處理速度與功耗通常優於前代產品，故廠商往往將製程級別納入產品命名以方便客戶識別。Xilinx的45與28nm製程產品分別稱為6、7系列，20nm及更先進製程產品改以代號命名，20nm製程產品稱為Ultrascale系列，16nm製程產品稱為Ultrascale+系列，7nm製程產品稱為Versal系列。Altera將28nm製程產品稱為V系列，14nm製程產品稱為10系列，10nm製程產品稱為Agilex系列。
邏輯單元 : 邏輯單元是FPGA的基本功能單位，通常包含一個LUT4和一個寄存器。邏輯單元越多則FPGA的容量越大，也代表廠商技術水準越高，目前大型FPGA的邏輯單元數都超過百萬以上。此外，傳統的FPGA是採用 LUT4，2010年後推出的FPGA大多採用LUT6或LUT8，因此廠商通常以等效LUT4作為邏輯資源的對比指標，例如Xilinx的7系列採用LUT6，其邏輯資源通常是LUT4的6倍。
可程式輸出入單元 : 輸出入單元數量與FPGA的平行處理能力有關，故數量越多通常代表FPGA的性能越強，通常能達到數百個級別，
功耗 : FPGA主要會產生靜態功耗、動態功耗和輸出入功耗，其功耗越低則設備耗電就越少與散熱要求越低，尺寸亦愈能小型化。除了採用先進製程外，電路架構與佈局、內部信號控制也能有效降低功耗，在相同性能下，更低功耗的FPGA往往較受客戶青睞。
運算能力 : 對於如AI、大數據等計算密集型的應用，FPGA的運算能力被視為選用的重要參考依據，通常以運算單元的每秒執行操作次數作為評估指標，因為低精度下的算力能有倍數以上的提升，故現在以INT8下每秒操作次數為測試標準。
嵌入功能-儲存單元 : FPGA運算時會遭遇資料緩衝與暫存需求，雖然邏輯單元中的LUT可以作為存儲使用，但為了不浪費珍貴的邏輯資源，在1990年代起FPGA廠商開始將RAM嵌入到FPGA中，稱為BRAM (Block RAM)，故BRAM的容量越大通常代表FPGA的性能越強。
嵌入功能-DSP : DSP可以進行多種邏輯處理且速度遠高於邏輯單元，在2000年起FPGA廠商紛紛將DSP嵌入到FPGA中以強化計算能力，還可節省功耗，故現今已成為標準配備。
嵌入功能-收發器 : 在通信或資料中心相關應用的FPGA需要具備訊號收發功能，其收發器傳輸速率越快通常代表FPGA的性能越強。
嵌入功能-處理器 : 採用SOC架構的FPGA通常會嵌入CPU或GPU以提高計算效率並縮減機板尺寸，處理器架構包括ARM、NIOS、RISC-V，其處理速率越快通常代表FPGA的性能越強。
嵌入功能-連接埠 : 嵌入的連接埠越多通常代表FPGA的功能越複雜且性能越強，常用有PCIe、DDR、MIPI、Interlaken、乙太網介面等。

為了具備可通用的靈活性，FPGA的電路布局效率與計算能力往往不及ASIC或ASSP，所以須透過製程大幅領先才能具備市場競爭力，使得FPGA廠商積極採用較先進製程以獲得客戶青睞。因為每家FPGA廠商的產品架構與EDA程式不同，一旦確定採用後要轉移到其他家業者是非常困難，這種綁定特點使得推出最先進製程產品的FPGA廠商能夠獲取最大市占率。FPGA龍頭廠商的Xilinx一直是FPGA製程的領先者，2000年後的大部分時期都能維持超過50%的市占率，只有第二大廠商Altera能跟上其先進製程導入腳步，其他業者均落後2~3個世代。2008年由於聯電在40nm製程開發不順，使得與其長期合作的Xilinx推出新產品受阻，與台積電長期合作的Altera趁勢率先推出40nm製程產品，因而讓市占率從2008年36%上升至2011年42%，而Xilinx則首次跌落50%以下。隨後Xilinx將主要代工廠更換成台積電並領先推出28nm產品，隨即於2012年奪回被Altera吃掉的市占率。目前擁有超過50萬邏輯單元數的高階FPGA產品通常採用7nm、10nm、14/16nm、20nm製程，邏輯單元數介於10~50萬之間的中階FPGA產品通常採用28nm製程，少於10萬邏輯單元數的低階FPGA產品通常採用40nm、65nm等製程。

除了先進晶片製程外，身為FPGA領導廠商的Xilinx與Altera也積極佈署先進封裝技術。2013年Xilinx成為第一家導入台積電COWOS封裝技術的IC設計商，用於製造Virtex 7系列產品，之後推出的Artix UltraScale+則改用成本較低之Info封裝技術。2014年Altera成為第一家採用採用台積電細間距銅凸塊之晶圓級封裝技術的IC設計商，用於製造Arria 10系列產品，被Intel併購後開發的Agilex系列產品則改用其EMIB封裝技術。

近幾年由於AI、自駕車及雲端運算等新興科技蓬勃發展帶動高效能運算晶片需求，在CPU、GPU、FPGA、ASIC等四種主要使用的處理器中，僅FPGA具備可更新硬體架構的高彈性、低能耗與延遲的平行運算能力，因而促使Intel、AMD先後併購等兩大FPGA廠商Altera、Xilinx，以強化於前述新興科技的市場競爭力。由於FPGA技術複雜使其產業進入門檻非常高，如Intel、IBM、TI、Motorola、Toshiba、Samsung等許多晶片大廠曾嘗試切入該領域都以失敗告終，所以預期現有的兩大與兩小之市場寡占架構將難以被撼動，透過併購讓Intel與AMD得以長期掌控FPGA市場，以快速擴大PC以外的高成長市場業務。