FPGA在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

　　FPGA——這個(gè)從陌生到熟悉、從高貴到平凡、從神秘到充滿吸引力……電子應(yīng)用工程師和設(shè)計(jì)者們開始思考將FPGA應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，大規(guī)模、集成高速收發(fā)器的SRAM架構(gòu)FPGA在通信領(lǐng)域擔(dān)負(fù)了不可替代的作用，而反熔絲架構(gòu)的FPGA則是軍事和航空航天領(lǐng)域的首選，F(xiàn)lash架構(gòu)的FPGA則具有像CPLD一樣的特點(diǎn)，單芯片即可以讓設(shè)計(jì)者避免配置芯片的諸多考慮，但擁有FPGA優(yōu)于CPLD的一切特性……對，開場白不要太多，這是給熟悉FPGA這個(gè)東西的內(nèi)行人看的文章，那么我的觀點(diǎn)可以開門見山，在現(xiàn)代基于FPGA的設(shè)計(jì)更多考慮的是兩個(gè)字：特性。FPGA的功能設(shè)計(jì)相對固定，可能是某一項(xiàng)，但特性決定您所選的器件是否可以應(yīng)用到一個(gè)行業(yè)！

　　那么回過頭來，考量消費(fèi)領(lǐng)域的需求是什么，快速的原型開發(fā)、緊縮的上市周期、穩(wěn)定可靠的功能設(shè)計(jì)、靈活多變的功能需求甚至強(qiáng)調(diào)低碳的功耗分析等，與FPGA早已經(jīng)大規(guī)模占領(lǐng)的通信、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域相比，F(xiàn)PGA進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域似乎還是近期的事情，而談到所需的功能，如果FPGA都可以用來控制火箭和衛(wèi)星，那您還懷疑FPGA是否可以實(shí)現(xiàn)一臺電冰箱的溫度閉環(huán)監(jiān)控？如果FPGA在通信服務(wù)器上面對于光纖通信都應(yīng)付自如，那您還懷疑它不可以來做一部手機(jī)的基帶調(diào)制？但是沒有人或用火箭上面的FPGA來造冰箱，也不會在手機(jī)里面選擇通信服務(wù)器上面的FPGA型號，很顯然，講到消費(fèi)品要求的功能應(yīng)該是很簡單的，比如接口的擴(kuò)展、電平標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換、邏輯器件的替代等，其次更重要的是特性的評估，小規(guī)模器件的邏輯資源也許完全可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)主板的多個(gè)電平標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，但是您要考慮的是功耗、占位面積、成本、軟錯(cuò)誤率等諸多因素，這是真正限制您所選擇的器件是否可以做進(jìn)低功耗手持設(shè)備的基本特性要求。

　　ACTEL公司最近利用其獨(dú)具優(yōu)勢的IGLOO低功耗產(chǎn)品誕生了幾個(gè)消費(fèi)設(shè)計(jì)，足以啟發(fā)設(shè)計(jì)者的大膽思路并證明FPGA已經(jīng)開始將觸角伸向巨大的消費(fèi)領(lǐng)域。當(dāng)手機(jī)維修工人在頭疼客戶要求更換一款早已停產(chǎn)的手機(jī)屏幕的時(shí)候，他以為別無選擇，但是擁有ACTEL小尺寸低功耗的IGLOO器件，是的3mm*3mm的器件可以貼在手機(jī)的主板與屏幕之間的排線上面，經(jīng)過FPGA接口轉(zhuǎn)換的TFT時(shí)序竟然讓他擺脫了原配手機(jī)屏幕的限制，現(xiàn)在他可以換一個(gè)任何接口標(biāo)準(zhǔn)的屏幕了；另外一個(gè)很有創(chuàng)意的產(chǎn)品來自于韓國三星，一款帶有前后雙屏幕的數(shù)碼相機(jī)滿足了喜好自拍的朋友們，相信很多人都已經(jīng)不再懷疑三星的消費(fèi)品引領(lǐng)潮流的能力，三星在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大膽引入FPGA的應(yīng)用也引領(lǐng)了一股技術(shù)潮流，這個(gè)將背后大屏影像縮放至前面的小屏幕上面的功能是由ACTEL的一款I(lǐng)GLOO低功耗器件完成的，不僅僅如此，您很可以做圖像的反轉(zhuǎn)等操作，而這一切僅僅耗費(fèi)電池微安級的電流，甚至在您需要待機(jī)時(shí)IGLOO可以進(jìn)入極低的0.2微瓦的FlashFreez休眠模式，而它與動(dòng)態(tài)狀態(tài)切換僅僅需要您1uS的時(shí)間，不會錯(cuò)過您的精彩瞬間，不是嗎？

　　消費(fèi)領(lǐng)域的趨勢就是不斷的迅速擴(kuò)展，在這個(gè)領(lǐng)域生存的設(shè)計(jì)者拼的不僅僅是創(chuàng)意，而且還有速度，反觀半導(dǎo)體的廠商們也勢必將消費(fèi)品作為必爭之地，然而正如上文所述，消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是不得不考慮的重要因素，首先將面臨如何快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證的問題，在設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)一無二的功能創(chuàng)意的時(shí)候，F(xiàn)PGA也許是最好的選擇；在找不到一顆通用的全能芯片的時(shí)候，F(xiàn)PGA也許是最好的選擇……然而，很多情況，一旦產(chǎn)品化隨著用量的不斷增長使得定制ASIC的方式成為可能，那么設(shè)計(jì)者在綜合評估之后就有可能開始考慮在FPGA生產(chǎn)燒錄、測試過程中的連續(xù)成本與一次性流片的成本之間做出權(quán)衡，ASIC的誕生其實(shí)就是這樣的一個(gè)過程，然而ASIC的誕生也就意味著FPGA的被替代，這使得FPGA在消費(fèi)領(lǐng)域一定程度上成為一個(gè)過渡的設(shè)計(jì)方案。

　　然而，F(xiàn)PGA的廠商不會袖手旁觀，事實(shí)上FPGA在ASIC的設(shè)計(jì)過程中本身也是起著原型驗(yàn)證的作用。最先做出反應(yīng)的是ACTEL公司，他的反熔絲或Flash架構(gòu)FPGA得益于掉電非易失的浮柵門結(jié)構(gòu)使得FPGA去掉配置過程、加載過程從而可以實(shí)現(xiàn)真正的單芯片，ACTEL公司具備了可以提供裸片的能力，并配套所有的設(shè)計(jì)資料及參數(shù)，甚至提供出廠的程序燒寫、晶圓測試等服務(wù)。在ACTEL的設(shè)計(jì)加密文件授權(quán)技術(shù)的支持下，客戶不必?fù)?dān)心知識產(chǎn)權(quán)的泄露，而相對于原本長達(dá)數(shù)月的全定制的棍型圖ASIC流程，有了ACTEL提供的DIELOT（裸片）產(chǎn)品，客戶可以輕易將原型的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品并通過極少的Bonding費(fèi)用定制自己的ASIC。ACTEL在全球亦有諸多基于DIELOT設(shè)計(jì)的案例。而ACTEL即將有計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)加工工藝、以提高速度、運(yùn)算方面的性能，進(jìn)一步降低能耗，同時(shí)完善ACTEL的裸片供應(yīng)設(shè)計(jì)服務(wù)，ACTEL以Power Matters作為產(chǎn)品規(guī)劃的主線，已經(jīng)瞄準(zhǔn)了消費(fèi)品的廣大領(lǐng)域。

　　ACTEL日前剛剛發(fā)布的一款面向SOC設(shè)計(jì)的產(chǎn)品——SmartFusion吸引了諸多設(shè)計(jì)者的關(guān)注，將一直討論的FPGA集成度應(yīng)用問題推進(jìn)更高的臺階。在電子設(shè)計(jì)中早就有所謂“三足鼎立”的情況，即MCU的主控功能、FPGA的快速監(jiān)控和通道、DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。這“三足”形成了一套系統(tǒng)在目前的階段是比較普遍的，然而隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，摩爾定律預(yù)言了甚大規(guī)模集成電路的輝煌前景，這時(shí)SOC的概念被提出了，即在一個(gè)芯片上面實(shí)現(xiàn)一整套的系統(tǒng)，長遠(yuǎn)來看，這是集成電路設(shè)計(jì)的必然趨勢。歸根到底，一切數(shù)字電路都是由MOS管來構(gòu)成的，只要規(guī)模足夠大，MOS管的特種排列連接即誕生特定的功能，對于現(xiàn)階段的工藝水平，F(xiàn)PGA內(nèi)嵌MCU或者DSP單元早期以軟核為主，如Altera的NIOS、FFT IP，ACTEL的Cortex-M1、FIR IP等，后來工藝的進(jìn)步使得芯片設(shè)計(jì)師在FPGA內(nèi)部直接集成硬核的MCU或DSP，如ACTEL的Cortex-M3等，可見，傳統(tǒng)的多個(gè)分離器件現(xiàn)在已經(jīng)為SOC所替代，并可以預(yù)見，更多的器件將可以被高度集成。

　　SOC的優(yōu)勢顯而易見，以最具代表性的SmartFusion為例，ACTEL公司選擇與ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核——這是一款通用內(nèi)核，并為大多數(shù)設(shè)計(jì)者所熟悉和使用，平臺的應(yīng)用將不會有障礙，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA與ARM利用半導(dǎo)體工藝內(nèi)部互聯(lián)，通過總帶寬16Gbps的AHB總線掛接，設(shè)計(jì)人員不再擔(dān)心這部分電路的信號完整性問題，也不必再擔(dān)心PCB的走線布線問題等。然而，SmartFusion做到的還不止這些，包括Cortex-M3的以太網(wǎng)、SPI、UART、IIC、EMC等外設(shè)也是ACTEL公司精心配備的，而調(diào)試環(huán)境都可以方便的集成在ACTEL的IDE中，使用ACTEL的Flashpro4下載器即可同時(shí)調(diào)試FPGA和ARM內(nèi)核，客戶可以像使用通用ARM那樣靈活調(diào)用而不占用FPGA的任何邏輯資源。當(dāng)然，更重要的，SmartFusion甚至集成了可編程模擬部分包括ADC以及DAC、內(nèi)部高速比較器等，真正的為引領(lǐng)“模數(shù)混合”的融合系統(tǒng)提供典范。SmartFusion已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如PPS公司的ATCA及xTCA先進(jìn)的電信運(yùn)算架構(gòu)中，承擔(dān)系統(tǒng)的管理與多路信號監(jiān)測功能。

　　所以，不可否認(rèn)，F(xiàn)PGA將成為電子產(chǎn)業(yè)中迅速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，從設(shè)計(jì)FPGA的角度，屬于集成電路設(shè)計(jì)的范疇，從應(yīng)用角度，F(xiàn)PGA將逐步成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的主體。然而，F(xiàn)PGA的使用尚未真正的鋪開，并不像MCU或DSP一樣應(yīng)用的普遍，究其原因，我認(rèn)為還主要在于設(shè)計(jì)者的意識和思路上面。隨著FPGA應(yīng)用門檻的降低，結(jié)合各個(gè)FPGA的廠商發(fā)展優(yōu)秀的增值分銷商、大學(xué)計(jì)劃等來推廣的形勢，可以說數(shù)字電路設(shè)計(jì)者迎來了一個(gè)FPGA應(yīng)用的美好時(shí)代。如周立功公司推廣ACTEL系列產(chǎn)品，從諸多基礎(chǔ)的知識入手，從集成開發(fā)環(huán)境、設(shè)計(jì)流程、編程語言、學(xué)習(xí)套件、應(yīng)用案例等多方面幫助設(shè)計(jì)者學(xué)習(xí)和熟悉FPGA，甚至推出貼合設(shè)計(jì)者實(shí)際應(yīng)用的邏輯分析儀用以數(shù)字電路的測試。所以，現(xiàn)在FPGA的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再是毫無頭緒的“新貴”，而應(yīng)該成為每一個(gè)設(shè)計(jì)者的得力助手。