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隨著半導體產業進入深次微米時代，高昂的光罩與設計成本已經成為晶片廠商的最大魔咒。特別是對中小型的晶片業者來說，當他們不具備足夠的經濟優勢與規模轉移到先進製程技術時，是否能有更創新的設計方法出現，來協助他們解決此一困境？在這樣的需求下，去年起陸續有廠商推出的結構化ASIC
(Structured ASIC)技術，正引起多方的矚目。
結構化ASIC的定義
結構化ASIC與過去常被提及的平台式ASIC設計，似乎讓人有些困擾。根據Dataquest的研究報告，他們試圖將這些新興的名詞給定出更明確的定義。
Dataquest的首席分析師暨研究副總Bryan
Lewis表示，「平台式ASIC代表在設計晶片時，有將近一半的部分已經先透過利用IP預先定義、驗證完成，客戶僅就剩下未定義的部分進行設計。在此概念下，有三種的設計方式都屬於平台式ASIC設計。」
「近來常討論的結構化ASIC，嚴格說來應該屬於Array-based
Platform，它是將IP先嵌入於晶圓中，設計人員僅需利用最後幾層的金屬層來進行客製化設計。由於可大幅節省光罩費用，因此特別受到重視。另外兩種平台式ASIC設計，則分別是整合嵌入式FPGA/PLD核心與cell-based設計的混合平台，以及由傳統ASIC延伸而來的cell-based平台，不過這兩種設計都還是需要整套的光罩費用。」
Bryan
Lewis認為，「結構化ASIC的出現能夠顯著降低晶片的設計成本，甚至一個可能只會創造150萬美元營收的設計，都將能夠採用先進的製程技術。雖然此一技術尚處於萌芽階段，有待市場的進一步接受。但其未來發展應該非常樂觀，因為對IC市場來說，任何能縮短上市時間並降低設計成本的解決方案，都會受到歡迎。」
目前宣稱提供結構化ASIC產品的公司包括有LSI Logic、NEC、AMI Semiconductor、Fujitsu、Chip
Express、Lightspeed
Semiconductor等公司，部分公司也已經籌組結構化ASIC協會，企圖共同拉抬此項技術的聲勢。
台灣地區的智原科技也已經在去年正式推出「三層光罩可程式化巨陣(3-Mask Programmable Cell
Array，3MPCA)」技術。負責該項技術的基礎研發中心資深技術總監王心石表示，這項創新技術讓使用者僅需重製最頂端三層光罩，即可在最短時間內推出新一代IC產品。
王心石解釋說，「MPCA結構內已經預先製作完成大量的基本區塊，每個區塊可藉由最上層的金屬光罩來組出多種不同的組合邏輯、序向邏輯、驅動單元、和記憶單元等設計上會使用到的電路。由於製造上的可重複使用，利用MPCA可以幫忙省下可觀的光罩費用，而且讓設計的產品提早上市。」此外，智原預計今年第二季正式推出的金屬可程式I/O(MPIO)技術，則是透過僅需修改第二層的金屬層，就可以彈性地將不同的介面功能，諸如SATA、TMDS、LVDS、GPIO等增加到晶片設計中。
由於各廠家提供的結構化ASIC技術不盡相同，智原科技還積極的推動相關業者成立類似嵌入式微處理器基準測試的組織，透過明確的技術評比，加速這項技術的接受程度。
設計方法的新論戰
一直以來ASIC設計是針對大量(high
volume)市場的最佳選擇，FPGA產品則在小量的市場中擁有優勢。對於中型(mid-volume)市場來說，隨著設計成本的高漲，好像成為一無人問津的領域。結構化ASIC技術的出現，便成為另一種深具吸引力的解決方案。但同時，這對於積極擴展應用領域的FPGA業者來說，似乎隱然成為一大威脅。
王心石就認為，「FPGA先天在速度、功耗的限制，就讓它不是那麼容易的能夠打進ASIC設計的市場。結構化ASIC的出現必然會對FPGA在中小型市場的應用造成影響。」
不過Xilinx技術長Ivo
Bolsen則持完全不同的看法。他直指結構化ASIC與傳統ASIC一樣，除了有庫存的風險之外，更沒有可程式化能力，以符合現今對上市時程的嚴峻要求，同時該技術目前缺乏EDA工具的支援，以及沒有完善的IP產業支援，這些缺點都將會使結構化ASIC的興起受到挑戰。「我並不看好結構化ASIC的未來，充其量它將只會是一個非常有限的小市場，是不可能取代FPGA的。」
對於FPGA長久以來在高產量、低功耗市場的弱勢，Ivo
Bolsen也坦承，「的確FPGA目前並不適合於這樣的市場，但是未來絕對可以。」他解釋說，過去十年來，FPGA產品的價格下價近300倍，速度提升20倍，可提供的閘數也成長了200倍，「隨著我們積極驅動製程技術的進展，FPGA的複雜度、性能將能夠持續提升。」
他強調，由客戶目前應用的趨勢來看，「FPGA已經開始用來處理邏輯、介面的部分，而不僅是I/O的周邊而已。隨著可程式化需求的日益提升，FPGA將進一步獲得更廣泛的應用。」
同樣的，新思科技FPGA市場集團經理Greg
Tanaka也說，「結構化ASIC就上市時間來看沒有FPGA的優勢，就成本效益來看也沒有傳統ASIC設計的優勢，它像是一個‘卡’在中間的產品，我不認為會有很大的發展。」當然這是站在不同比較觀點的看法，除此之外，他也同樣表示，缺乏完整的支援工具，IC設計公司要採用此一新技術的可行性不高。
Dataquest的Bryan
Lewis則表示，FPGA業者為了搶奪新興的平台式ASIC市場，以填補傳統FPGA和cell-based
IC設計間的落差，也提出了新的做法。Xilinx與IBM的合作，以及Altera強化其Hardcopy技術都是例子。
在ASIC設計具領導地位的IBM，該公司ASIC部門總經理Tom
Reeves也表示，「我們不會提供結構化ASIC設計，這只會是一個小市場而已。」而IBM與Xilinx的合作，共同推出在ASIC中整合嵌入式FPGA核心的平台，預計從今年開始會有設計案例，明年起則會有量產的產品出現。
對此王心石表示，「嵌入式FPGA的方式會讓晶粒變得很大，並不是一具成本效益的方式。」
而對於FPGA業者提出結構化ASIC缺乏EDA工具支援的問題，王心石解釋說，「其他結構化ASIC廠商的做法我不便評論，不過對智原的MPCA來說，我們花了很大的功夫解決此一問題，讓金屬層的佈線能夠用一般的P&R工具進行隨機佈線(random
placement)，不受任何限制。所以能夠以傳統的EDA工具設計流程完全相容。」
王心石深具信心的說，「這就是智原在這方面領先的一大優勢。」
其實除了透過僅修改最後幾層金屬層來達到降低設計費用，縮短上市時程的優點外，王心石還說，其實不只是深次微米的客戶對結構化ASIC有興趣，對於利用成熟製程的客戶來說，由於可以利用其可彈性修改的特性，針對現有產品的衍生(derivatives)產品設計，結構化ASIC也深具吸引力。「像是隨身碟這類的產品，客戶便可以輕鬆的利用MPIO技術，僅修改單一的金屬層，就能夠將所需的介面功能放進其中，這樣的彈性是傳統ASIC設計方式無法達到的。」
也因此，王心石甚至認為，未來這種僅修改幾層金屬層的彈性、省成本做法，將滲透到所有的ASIC設計中。
而根據Dataquest的研究報告指出，去年大約有100件的結構化ASIC設計案例，該數字今年會上升到200個，預計2007年時會成長到1000個。而其結構化ASIC市場的營收預估，則是從今年的9900萬美元快速成長到2007年的8億4800萬美元。
不過，眼前結構化ASIC業者仍然有些議題尚待克服。王心石說，「目前結構化ASIC仍然無法提供與傳統ASIC設計相同的晶粒大小與速度。雖然利用MPCA技術設計出來的晶粒大小只比cell-based
ASIC大了約10%，但對於客戶來說，晶粒就是成本，如何解決這個問題是我們的重要目標。」
作者：勾淑婉 | 