從FPGA朝向SoC FPGA發(fā)展 主要有幾個關(guān)鍵的推動因素

SoC FPGA為一個整合FPGA架構(gòu)、硬式核心CPU子系統(tǒng)以及其他硬式核心IP的半導(dǎo)體元件，可實現(xiàn)低延時頻寬互聯(lián)，并提高IP重用性；預(yù)估此類型元件在今后10年中將會得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多的選擇。

整整合了現(xiàn)場可編程閘陣列（FPGA）架構(gòu)、硬式核心中央處理器（CPU）子系統(tǒng)以及其他硬式核心矽智財（IP）的半導(dǎo)體元件--SoC FPGA，已經(jīng)發(fā)展到了一個“關(guān)鍵點”，它在今后10年中會得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多的選擇。在各種技術(shù)、商業(yè)和市場因素相結(jié)合下，推動了這一個關(guān)鍵點的出現(xiàn)，Altera、賽普拉斯（Cypress）、英特爾（Intel）和賽靈思（Xilinx）等供應(yīng)商，都相繼發(fā)布或開始銷售SoC FPGA元件

本文章介紹新出現(xiàn)的SoC FPGA，背后的推動因素，以及執(zhí)行管理人員和系統(tǒng)設(shè)計人員在選擇這些元件時的考慮因素。

業(yè)界整合FPGA和CPU系統(tǒng)在第一個10年發(fā)展中既有成功也有失敗。最初的SoC FPGA在商業(yè)上并不是很成功，而FPGA中的軟式核心CPU得到了廣泛應(yīng)，這證明市場對FPGA和CPU技術(shù)整合有基本的需求。各種新的因素改變了業(yè)界環(huán)境，導(dǎo)致關(guān)鍵點的出現(xiàn)，SoC FPGA將在市場上獲得非常廣泛的應(yīng)用。

從FPGA朝向SoC FPGA發(fā)展，主要有幾個關(guān)鍵的推動因素，包括FPGA開始采用如28奈米（nm）之類的先進(jìn)半導(dǎo)體制程技術(shù)，藉由摩爾定律實現(xiàn)更高成本效益；同時，CPU架構(gòu)的增強(qiáng)，并過渡到平行和多核心處理，以及嵌入式系統(tǒng)采用FPGA的比率愈來愈高，亦有推波助瀾之效。

運算功率效益大增

由于運算的發(fā)展趨勢是朝向平行處理技術(shù)，處理器亦從高成本的單核心處理，一直發(fā)展到現(xiàn)今的多核心。為了在提高運算性能的同時，也能降低功率消耗，促使一些廠商開始采用FPGA邏輯做為CPU的硬體加速器，帶動SoC FPGA發(fā)展風(fēng)潮。

一個SoC FPGA系統(tǒng)可提高功率效益，并實現(xiàn)靈活的軟體畫分。SoC FPGA可支援?dāng)?shù)百路資料訊號連接不同的功能區(qū)，實現(xiàn)100Gbit/s頻寬，甚至更大的頻寬，其延時在奈秒級，性能和延時表現(xiàn)都比獨立元件好，而且其整合平臺亦可提升記憶體存取功能。

SoC FPGA性能提高以及記憶體存取功能實現(xiàn)功能更強(qiáng)的加速器，能夠滿足各式各樣的運算要求。由于硬體加速器在功率效益上要比CPU還高1，000多倍，因此，與簡單的多核心平行方法相比，采用SoC FPGA進(jìn)行設(shè)計對開發(fā)人員而言，是實現(xiàn)高功率效益運算較好的方法。

尖端制程技術(shù)加持　SoC FPGA兼具低功耗與高效能

如圖1所示，在2000年時，最新的FPGA采用了130奈米制程技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，而當(dāng)時的CPU采用的是90奈米制程技術(shù)。由于市場上已有更高階的CPU，因此，第一代SoC FPGA的推出顯得有些落后。然而，當(dāng)今最尖端FPGA已采用28奈米制程技術(shù)，相對而言只有少數(shù)商用CPU或者特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）使用28奈米制程技術(shù)。FPGA的制程技術(shù)在整合元件的市場優(yōu)勢已明顯增強(qiáng)，而FPGA供應(yīng)商也傾向于在SoC FPGA方面大量投入產(chǎn)品研發(fā)，這是因為該產(chǎn)品可讓客戶不需要在CPU性能與功耗上做出妥協(xié)。

圖1 FPGA制程技術(shù)演進(jìn)過程

FPGA于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日漸增長

過去對于大部分嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，F(xiàn)PGA往往是客戶覺得較為昂貴的元件，也因此與相應(yīng)的復(fù)雜型可編程邏輯元件（CPLD）或者可程式化陣列邏輯（PAL）相比，其應(yīng)用相對較少。然而，在過去10年中，采用靜態(tài)隨機(jī)存取記憶體（SRAM）架構(gòu)的FPGA在降低成本上已經(jīng)超越了互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS），現(xiàn)今，已有接近50%的嵌入式系統(tǒng)采用了FPGA。而SoC FPGA最顯著的優(yōu)勢是成本可比獨立元件低很多，晶片供應(yīng)商將會有很大的市場機(jī)會獲得投資回報。

ASSP成本漸高　SoC FPGA有機(jī)可趁

摩爾定律在未來將顯得越來越“昂貴”。開發(fā)高階CMOS的制造設(shè)施成本大約在10億～60億美元，其中還需要4，000萬美元的成本來開發(fā)新的半導(dǎo)體元件，因此，在典型的利潤模型中，半導(dǎo)體元件應(yīng)能夠獲得1億美元的毛利，而其中20%的收益須花在研發(fā)上。而當(dāng)?shù)湫偷拿?0%時，企業(yè)至少要占據(jù)2億美元的市場份額。除消費性電子、行動電話和個人電腦（PC）外，事實上，很少有能夠達(dá)到這一種規(guī)模的應(yīng)用市場，因此，單一目的或者固定功能的元件很難獲得投資回報。在今后的制程技術(shù)中，高階半導(dǎo)體的成本將會越來越高，這一種成本結(jié)構(gòu)使得開發(fā)固定功能半導(dǎo)體元件很難獲得較好的投資回報，這代表著在可程式設(shè)計邏輯技術(shù)上的投入可望越來越多，而專用ASSP和CPU等固定功能元件的投入則會越來越少。SoC FPGA有潛力應(yīng)用于很多市場領(lǐng)域，并將會獲得更多的投入。

擴(kuò)大應(yīng)用市場　FPGA商采用CPU架構(gòu)蔚為潮流

嵌入式處理這一個術(shù)語其實涵蓋了多種應(yīng)用，從對成本非常敏感的4位元處理器到非常復(fù)雜的多核心64位元處理器。這種廣泛的應(yīng)用一直支援各種類型的處理器、作業(yè)系統(tǒng)和軟體供應(yīng)商。與10年前相比，這種廣泛性在2011年表現(xiàn)出很大的不同，對于其規(guī)模和多樣性而言，嵌入式市場整體成長速度不但快，且處理器功能的發(fā)展亦日趨進(jìn)步；例如16位元微控制器逐漸被32位元CPU替代。同時，四種應(yīng)用最廣泛的架構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了對32位元CPU系列的支援，這些架構(gòu)包括安謀國際（ARM）、MIPS、PowerPC和x86。之所以對其進(jìn)行增強(qiáng)動作，主要是因為軟體特性和功能重用。而采用了這些CPU架構(gòu)之一的SoC FPGA能夠占據(jù)更大的市場，因此，F(xiàn)PGA供應(yīng)商更愿意在這類半導(dǎo)體上擴(kuò)大投資。

平臺效應(yīng)加速SoC FPGA設(shè)計趨勢成形

生產(chǎn)廠商、使用者和輔助支援系統(tǒng)在產(chǎn)品上彼此之間會有影響時，就會出現(xiàn)網(wǎng)路效應(yīng)，或者稱為平臺效應(yīng)。平臺效應(yīng)的基本原理是某一種產(chǎn)品或者標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用越多，它在使用者基礎(chǔ)和輔助支援系統(tǒng)中的價值就越高。結(jié)果，使用者基礎(chǔ)和輔助支援系統(tǒng)就會在這種技術(shù)上加大投入，進(jìn)而吸引更多的應(yīng)用，產(chǎn)生一種自我增強(qiáng)的良性循環(huán)。熟悉的例子包括PC、視訊記錄格式和社交網(wǎng)站等。

一般而言，有可能產(chǎn)生自我增強(qiáng)循環(huán)的產(chǎn)品將會在這種循環(huán)中不斷發(fā)展，這是因為參與到新產(chǎn)品中的所有成員都會獲得較高的投資回報。平臺效應(yīng)一旦開始啟動后，就會吸引各家廠商爭相投入，而SoC FPGA市場則很快就會轉(zhuǎn)向這一個標(biāo)準(zhǔn)。

隨著SoC FPGA的不斷發(fā)展，用戶將非常愿意重新使用他們在多種系統(tǒng)中使用過的FPGA IP和設(shè)計軟體。例如，CPU輔助支援系統(tǒng)中的成員愿意盡可能減少學(xué)習(xí)FPGA開發(fā)工具，而CPU供應(yīng)商也希望減少FPGA開發(fā)工具的數(shù)量。最終，支援多家供應(yīng)商和CPU架構(gòu)的SoC FPGA平臺很有可能觸發(fā)這種平臺效應(yīng)，幫助這些使用者和輔助支援系統(tǒng)成員獲得很大的優(yōu)勢。

以FPGA業(yè)者Altera為例，其在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行了多年的創(chuàng)新投入后，已啟動了“嵌入式計劃”，目的是建立一個可讓多家供應(yīng)商采用同一種FPGA設(shè)計流程方法，并可使用多CPU架構(gòu)的SoC FPGA平臺。

FPGA設(shè)計流程方法可以作為多種SoC FPGA的基礎(chǔ)，以及使用軟式核心CPU和其他軟式核心IP的SoC解決方案。例如FPGA廠商可獲得ARM（硬式核心）、MIPS（軟式核心）和Nios II（軟式核心）CPU或者由英特爾提供的Atom E6X5C可配置處理器。這種整合方法可在一種FPGA架構(gòu)和設(shè)計流程中，統(tǒng)一三種主要的CPU架構(gòu)，以及最流行的、采用FPGA架構(gòu)的軟式核心CPU。

FPGA設(shè)計流程整合方法旨在激勵輔助支援系統(tǒng)從主要處理器架構(gòu)，轉(zhuǎn)向投入單一FPGA平臺和工具流程，進(jìn)而帶來豐富的工具、應(yīng)用軟體、作業(yè)系統(tǒng)軟體和專業(yè)知識支援。隨數(shù)百家全球輔助支援系統(tǒng)成員在CPU架構(gòu)上的投入，此一FPGA平臺及其越來越多的工具、軟體和IP應(yīng)用亦日趨廣泛，對系統(tǒng)設(shè)計人員也越來越重要，證明其價值定位將促進(jìn)更多應(yīng)用，進(jìn)而推動了良性平臺的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

提高SoC FPGA設(shè)計效率　系統(tǒng)整合工具角色吃重

這一個多供應(yīng)商平臺的組成關(guān)鍵，是可對FPGA邏輯進(jìn)行程式設(shè)計的Quartus II軟體。Quartus II軟體包括Qsys系統(tǒng)整合工具，采用了Altera的第二代交換架構(gòu)技術(shù)，用于加速軟式核心IP的開發(fā)、重用和整合。采用使用者圖形介面（GUI）架構(gòu)的Quartus II軟體有免費的網(wǎng)路版和完全授權(quán)的版本，其可提供包括系統(tǒng)設(shè)計、時序收斂、系統(tǒng)驗證，以及協(xié)力廠商電子自動化設(shè)計（EDA）工具支援，進(jìn)而滿足了效能和性能上的需求。

除Altera傳統(tǒng)的Avalon記憶體映射（Avalon-MM）介面和資料通路匯流排介面規(guī)范，Qsys還支援ARM AXI標(biāo)準(zhǔn)，可以采用自動的混合匹配方法來整合采用Avalon架構(gòu)的IP和采用AXI架構(gòu)的IP。Qsys亦支援利用直觀快速的設(shè)計經(jīng)驗，在通用平臺上可方便進(jìn)行設(shè)計或者系統(tǒng)內(nèi)驗證，進(jìn)而實現(xiàn)采用ARM架構(gòu)和Intel的SoC FPGA，以及實現(xiàn)采用MIPS和Nios II軟式核心CPU的SoC。

客制化28奈米系列元件　強(qiáng)化產(chǎn)品競爭力

Altera的28奈米FPGA系列元件可針對用戶各種設(shè)計需求進(jìn)行客制化，并可為各種終端應(yīng)用需求提供適當(dāng)?shù)腇PGA架構(gòu)和制程技術(shù)，如高效能的Stratix V元件、低成本的Cyclone V元件以及在性能和成本上達(dá)到均衡的中階Arria V元件。全系列SoC FPGA皆受益于28奈米制程所帶來的優(yōu)勢。此外，如圖2所示，最新的SoC FPGA亦將含有采用ARM Cortex-A9架構(gòu)核心的高階處理器模塊。

圖2 Altera SoC FPGA架構(gòu)

Altera SoC FPGA架構(gòu)在ARM Cortex-A9子系統(tǒng)中，將含有多種硬式核心IP，以及高性能多埠記憶體控制器，以提高記憶體頻寬。FPGA和CPU子系統(tǒng)之間的寬頻低延時互聯(lián)，將支援高性能應(yīng)用和高效率的FPGA硬體加速。高階內(nèi)部交換架構(gòu)將支援高效率的資料傳輸量，以及高效能在系統(tǒng)觀察和除錯。Qsys、Quartus II軟體以及ARM社群軟體工具相結(jié)合后，這一個元件將是一種性價比非常高的系統(tǒng)設(shè)計選擇，其可利用標(biāo)準(zhǔn)工具流程提高效能，支援新開發(fā)和驗證。

在成本要求日趨嚴(yán)苛、制程技術(shù)成熟和市場需求增加的因素推動下，SoC FPGA時代已經(jīng)來臨。目前已有些FPGA供應(yīng)商發(fā)布了SoC FPGA相關(guān)產(chǎn)品，亦尚有許多廠商正在加緊腳步研發(fā)中。系統(tǒng)規(guī)畫人員在評估系統(tǒng)解決方案時，應(yīng)該認(rèn)真考慮平臺效應(yīng)、IP重用以及FPGA制程技術(shù)優(yōu)勢，以選擇最佳的解決方案。

此外，Altera與主要的CPU供應(yīng)商ARM、Intel和MIPS合作，為SoC FPGA元件和軟式核心CPU解決方案提供公共FPGA平臺。這種合作關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界應(yīng)用最廣泛的CPU架構(gòu)及其輔助支援系統(tǒng)，繼承相同的高階FPGA設(shè)計流程，進(jìn)而在這一個平臺上增強(qiáng)了IP重用，提高靈活性。這種整合方法將會實現(xiàn)了平臺效應(yīng)，并且促進(jìn)SoC FPGA以及其輔助支援系統(tǒng)的增長和發(fā)展。