越来越多的功能模块集成到了可编程产品设计中，这类器件的应用市场领域也在逐步拓展。而与此同时，可编程产品提供商要想获得更大的成功，依然需要面对很多挑战……
电子设计正变得越来越复杂，因为它们需要集成系统级功能来提高性能、降低成本、缩短设计周期和拓展新的应用领域。在众多高新技术的发展中，可编程系统设计成为了一道靓丽的风景线。诸多FPGA厂商已在其平台上集成了更多的IC技术——例如模拟、收发器、逻辑、串行连接、DSP、Flash内存以及嵌入式处理器等功能，从而达到让客户可进行可编程的系统级设计。为此，有业内专家断言，可编程系统设计将完全有可能统治未来。
更多功能的融入
由于全球的数字化趋势以及易用模块的广泛应用，技术提供商的设计团队正在争相开发引领潮流的新一代产品。而正是因为全球在娱乐和通信产品领域的标准现在仍然不成体系，恰恰是这种分离的标准推动着在产品设计中对灵活性的特殊需求，PLD恰恰能够满足这种需求。
笔者曾采访过QuickLogic公司总裁兼首席执行官Tom Hart，他指出，QuickLogic 的嵌入式标准产品（ESP）是一种单芯片FPGA解决方案，它将标准集成电路（IC）的性能保障和低成本优势与可编程逻辑的灵活性和快速市场切入特点完美地结合到了一起。这一创新架构可使设计人员能够在同一芯片上提供标准产品和用户定制的可编程逻辑，并帮助产品快速打入市场。一般情况下，传统的FPGA厂商提供给客户的产品是器件，由客户自己来做设计方案，而客户从QuickLogic拿到的产品，不仅仅是一个器件，还包括设计工具、设计环境、IP代码以及驱动程序等，客户可以直接使用，它是一个标准的全套解决方案。Tom Hart还强调，不仅是中国的工程师，所有的电子设计工程师都要思考这样一个问题，那就是要有能超越所有功能都得用微处理器来做的思维。
Actel 公司市场拓展副总裁Dennis Kish认为，融合技术将可编程逻辑的优势带进新的应用领域中，而这些应用领域直至目前也只能采用分立模拟元件和混合信号ASIC供应商提供的器件。 Dennis Kish说，通过创建融合技术，Actel旨在简化现有的系统设计方法，将现有FPGA的可重编程优势与模拟元件及大型 Flash 内存储区块集成在单芯片解决方案中。融合技术为系统的开发带来了新的功能，允许设计人员将相同的硅片用于多种不同的应用中，并且能快速配合不断变更的行业标准。
Cypress半导体公司亚太区销售和运营总监Paul Novell则表示，设计师们会更青睐于一种能够适合于用途更加广泛、灵活性更高的解决方案。例如，Cypress日前推出的一款具有可编程混合信号阵列的2.4GHz 单芯片无线电系统，在新型可编程 PRoC（Radio-on-a-Chip）器件中采用了该公司两项最具突破性的先进技术——WirelessUSB与PSoC（ Programmable System-on-Chip可编程系统级芯片）。该解决方案可为各种应用同时提供WirelessUSB与PSoC两方面的优势。由于PSoC器件都是可动态重构的，从而使得设计人员能够随意创建新的系统功能。由于能够在不同的时间针对不同的功能对同一硅片进行重构，因此，设计人员在许多情况下可以实现超过120%的硅片利用率。
Virtex-4 FPGA是Xilinx公司利用90nm制造工艺、300mm晶圆技术生产的FPGA平台产品。Xilinx全球市场副总裁Sandeep Vij介绍说，Virtex-4包括了100多项技术创新，整个系列分为三个面向特定应用领域而优化的平台FPGA架构，共有17种器件可供设计人员选择。Xilinx的技术负责人Dennis Segers在展望FPGA的发展前景时也指出，FPGA今后将进一步大规模化。到2005年，在单个FPGA芯片上将集成20亿只晶体管，系统门电路数将达到5000万个，配备工作频率为1GHz的CPU内核、模拟/数码混合IP内核以及10Gb/s的I/O电路，这相当于目前公司最新产品 “Virtex-II”性能的5倍。
全新领域的拓展
可编程系统设计在不断探索新的应用领域中逐渐显露出它的优势，内嵌到FPGA中的各种新功能正用在要求苛刻而且是以前FPGA从未涉足的应用领域，如网络应用中高端交换机和路由器、蜂窝电话基站处理设备和高端专业视频服务（如视频会议等）以及数字视频播放机和机顶盒等消费类电子产品。特别是FPGA的可重编程性的特点，人们认识到许多发挥其特长的应用。比如，当需要听高保真环绕立体声时，可将FPGA配置成专用的DSP处理器；高层网络交换机需要支持新协议时，只需重新配置FPGA而不必更改任何硬件；数字电视变更解码协议时，只要通过网络下载数据，重新配置FPGA；当从GSM网转到CDMA网时，同样只需自动配置FPGA而不必更换手机等等。
Xilinx表示，其新推出的Virtex-4系列有望推动公司进一步超越传统的PLD市场，并进入更为广泛的高性能处理、嵌入式处理和高速串行通信应用领域，从而使Xilinx在ASIC/ASSP市场占有更大的份额。
Actel 则称，其全新Fusion 技术的融合主干不仅是通用的总线接口，而且还可将微定序器集成在FPGA架构中，以便对个别外设进行配置，并支持外设数据的低层次处理。融合技术还为设计人员带来了前所未有的设计灵活性，让他们轻易地重新配置模拟模块设定，只需从嵌入式 Flash 存储下载数据便能实现多项不同的功能。Actel还表示，随着市场越来越细分，Actel不会总是唯主流是瞻。而是选择大厂商还没锁定、更具爆炸性增长的领域，例如，低成本的FPGA目前只占市场的10%，但是未来3年将会超过30%。
Lattice认为，过去人们根本不会在消费电子应用方面考虑 FPGA。现在随着芯片尺寸和功耗缩小，这些器件变得越来越有吸引力，特别是随着ASIC的发展越来越受限制。公司新一代的跨越式可编程逻辑器件支持传统上由高密度的CPLD或者低容量的FPGA所实现的应用，这些应用充斥着多种终端市场，包括汽车、消费品、通信、计算、工业、医疗、军用和网络市场。
QuickLogic 观点是，目前诸多基于过去PC平台的应用正在不断被扩展到便携消费电子产品市场，例如，MP3、PMP、PDA和Smartphones,而这些移动消费电子产品又在不断引入WLAN无线技术和存储技术。例如，超高宽带接口、Wi-Fi接口、微型磁盘存储、SDIO接口等，这些接口要实现很好地连接，嵌入式处理器就要增加许多外围设备。除此之外，还有数据传送速度、电池工作时间、产品上市周期等等问题，使得嵌入式处理器很难承担控制和数据处理的繁重工作，而且功耗也非常大。但按目前现有的技术，又很难解决这个问题。QuickLogic看到这个市场的发展瓶颈，及时研发出低功耗可编程桥接解决方案。
Altera的看法是，可编程逻辑的长处在于不需要一个“关键应用”来获得产品的成功。PLD可精确服务于很多新的应用市场和新的客户。“关键应用”常常源于一个想法并且需要市场检验，对于数字设计和市场检验最佳的平台就是FPGA。
技术挑战的应对
虽然可编程系统设计技术已显示出一些令人鼓舞的特性，但它远未达到成熟的境界。目前最大的问题在于开发通用的、标准化的管理软件，使系统能根据应用特性自动配置FPGA，另外使之保持高效运行多任务的能力也是尚待解决的问题。
Actel公司中国区经理夏明威先生认为，要实现真正的集成解决方案，还需要克服一些障碍。首先得有可编程逻辑技术 (如FPGA) ；此外，还要高度集成非易失性的工艺技术。
Altera 公司表示，对于模拟设计，我们必须定义一个应用的电路频谱范围。不同的电路频谱设计特性迥异。比如，工作于音频频谱的模拟电路容易体积很大，这有悖于我们要提供高密度PLD收发器的要求。另一个例子是测试模拟电路精确性产生的测试成本常常偏高，这也是有悖于成本效率参数的。简言之，问题不在于是否能做，而在于是否应该做。
QuickLogic公司亚太地区市场经理王义祖的看法是，目前所有PLD/FPGA厂家所推出的单一芯片并没有获得大家的青睐，其主要原因在于“易用性”。当结合很多不同功能的芯片在一起时，会发生很多不可预料的问题。APPLE公司的iPOD就是一个很好的例子, 它虽然只有支持MP3的功能, 但它简单易用, 反而得到大众的喜爱，尤其是在它结合iTUNE的功能时, 更能提高它的易用性。当然问题所在不仅是在易用性而已，还有就是这些单一芯片没有专门针对市场的要求。当开发一个单一芯片时，最重要的就是先了解市场所需，专注于目标市场所需。如果把单一芯片做成标准产品以达到针对所有市场需求是不可能的。
Xilinx 亚太区销售主管Cheng Hing-Nan肯定的说，我们完全相信可编程系统设计将会统治未来。要想使大规模FPGA产品获得成功，对于Xilinx来说，重要的是开发软件（EDA工具）和建立合作伙伴关系。EDA工具方面有三个重点项目，分别是Compile（配置布线）速度、High Level Planning（设计规划）以及使用因特网的设计支援，同时与EDA工具同样重要的是确立合作伙伴。
最新可编程平台一览
Actel 公司推出全新的Fusion 融合技术，为混合式信号解决方案带来可编程能力。此融合技术将混合信号的模拟功能和Flash 内存及FPGA结构集成于单一可编程系统芯片中。与此同时，当此融合技术与Actel基于ARM7和8051的软MCU内核共用时，可作为理想的软处理器平台。这项新技术能发挥Actel以Flash 为基础FPGA的独特优势，包括高绝缘性、三井结构以及支持高压晶体管的能力，以满足混合信号系统设计的严格要求。
Altera公司提供了大容量的低成本FPGA——Cyclone II EP2C70器件，以尽可能低的成本实现更高的功能，目标是成为ASIC和ASSP的替代方案。EP2C70器件具有68,416个逻辑单元（LE）， 1.1Mb嵌入式存储器和150个专用18×18乘法器，并且具备更多的专用数字信号处理资源。这使得EP2C70器件成为价格敏感DSP应用中理想的解决方案。采用相应的专用DSP资源，设计人员可以实现MPEG4编解码、视频滤波和无线基础设施等视频和图像处理应用。同时，系统设计人员还可以在单个 Cyclone II FPGA中实现多个Nios II嵌入式处理器，达到更高级的系统性能，其更大的灵活性可适应动态的设计环境。
Cypress 推出了一款具有可编程混合信号阵列的2.4GHz 单芯片无线电系统，在新型可编程 Radio-on-a-Chip (PRoC) 器件中采用了该公司两项先进技术——WirelessUSB与PSoC（ Programmable System-on-Chip可编程系统级芯片）。另外，其PSoC技术提供的是一种"数字+模拟"混合信号可配置系统，从而将可配置模拟技术的概念引入到平台之中。PSoC器件提供了ASIC的优点，但却没有典型的ASIC NRE或周转时间。单个PSoC器件能够集成多达100个外围部件和微控制器，从而节省了客户的设计时间，缩减了板级空间和功耗。其中，PSoC的主要组成部分包括可配置模拟模块（比如放大器、ADC、DAC、滤波器和比较器）和可配置数字模块（例如定时器、计数器、I rDA、PWM、SPI和UART）还包括一个快速8位微控制器、以及容量高达32kB的快速擦写存储器、2kB SRAM、一个带有32位累加器的8×8乘法器、电源和睡眠监控电路以及硬件I2C通信电路。
Lattice半导体公司推出了新的MachXO可编程逻辑器件系列产品，支持传统上由高密度的CPLD或者低容量的FPGA所实现的应用，诸如总线桥接、接口、控制逻辑、时钟管理、电源及复位控制、胶合逻辑、存储器控制以及ASIC和FPGA配置。MachXO逻辑器件建立在低成本的130nm嵌入式Flash处理工艺上，在MachXO系列的所有成员中还增加了分布式存储器、一种低待机功耗的睡眠模式以及通过Lattice特有的TransFR技术来透明地更新逻辑配置的功能。此外，在较大的系列成员中，增加了对嵌入式RAM（EBR）和锁相环（PLL）时钟电路以及PCI和LVDS I/O的支持，提供了通常仅在传统的FPGA结构中才有的功能。与此同时，还保留了Lattice前几代CPLD（如流行的MACH器件）的瞬时上电、单片和高速的优点。
QuickLogic开发出低功耗可编程桥接解决方案Eclipse II。为满足用户定制的需求，在此方案中内部预置了专用的双口SRAM、4个PLL以及嵌入式计算单元，同时提供50k~325k的高性能逻辑门单元，频率可以达到250MHz，其待机电流只有14μA。QuickLogic低功耗FPGA可编程桥接方案的另一个特色是，用户不用购买额外的IP核，利用 QuickLogic已经验证过的嵌入式IP核即可满足其系统互联的需求，从而保证系统的兼容性和无缝整合，此外还可以满足产品多样性、差异性的需求，实现有效利用当前所有的软件开发支持资源。另外，QuickLogic的低功耗可编程桥接解决方案不仅仅起到一个桥接作用，它实际上还是一个控制器，可承担大量原来微处理器的控制工作，从而减轻了微处理器的工作压力，可使微处理器去完成更多的数据处理工作。
Xilinx公司刚刚推出的Virtex- 4 FPGA利用90nm制造工艺、300mm晶圆技术生产，整个系列分为三个面向特定应用领域而优化的平台FPGA架构，共有17种器件可供设计人员选择。这三个平台分别是Virtex-4 LX平台FPGA（针对高性能逻辑集成应用而优化），它们提供了最高的逻辑和I/O密度以及非常高的可编程逻辑容量；Virtex-4 SX平台FPGA（针对超高性能实时信号处理而优化），它们集成有超高比例的DSP资源和嵌入式存储器，也能够以更低的功耗提供突破性的DSP性能； Virtex-4 FX平台FPGA（针对包括高速串行连接和嵌入式处理的全面系统应用而优化），包含嵌入式IBM PowerPC405处理器的FX平台集成了串行收发器和带有辅助处理器的单元控制器，对于构建完整的可编程系统是非常理想的选择。
