嵌入式閃存成就MAX 10 FPGA的系統(tǒng)價(jià)值

 30年的低成本創(chuàng)新

中國(guó)有句俗話叫“30年河?xùn)|，30年河西”，Altera在1984年發(fā)布了第一款非易失PLD EP300器件，30年間，可編程器件在性能上不斷發(fā)展甚至挑戰(zhàn)摩爾定律，工藝技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)了很多替代品，而終端應(yīng)用領(lǐng)域更是發(fā)生了翻天覆地的變化，這一定是PLD的發(fā)明者不曾想到的。最近一年，終端需求也使得芯片領(lǐng)域加速創(chuàng)新。就Altera來(lái)說(shuō)，在過(guò)去6個(gè)月，其相繼發(fā)布了3款足夠“有料”的FPGA及SoC系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10，它們都是Altera在創(chuàng)新大潮中重磅推出的“第10代”(Generation 10)產(chǎn)品，也為Altera第4個(gè)十年打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

今天的主角是MAX 10，它早在定義之初就被封為“下一代非易失FPGA”，近日，Altera公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)資深總監(jiān)Patrick Dorsey先生在北京與記者分享了將在10月1日正式開(kāi)始提供的MAX 10 FPGA的一些特性，我們也來(lái)探究一下它是否真的“實(shí)至名歸”。

圖1 Altera公司產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)資深總監(jiān)Patrick Dorsey先生

Patrick試圖先用“老朋友”這個(gè)形象來(lái)拉近與中國(guó)的距離：“30年前，Altera就為中國(guó)提供低成本的可編程器件，中國(guó)市場(chǎng)逐漸成為Altera最重要的市場(chǎng)之一，例如，中國(guó)知名通信基礎(chǔ)設(shè)施公司的產(chǎn)品逐漸把Altera的器件作為核心部件。”Altera這款新FPGA以本來(lái)為CPLD系列“頭銜”的“MAX”來(lái)命名，也是想突出其延續(xù)了Altera可編程產(chǎn)品物美價(jià)廉的傳統(tǒng)，而低成本的MAX 10所擁有的一些性能通常只有高端FPGA才具備。

系統(tǒng)級(jí)的集成

傳統(tǒng)的FPGA系統(tǒng)(如電機(jī)控制或汽車(chē)娛樂(lè)系統(tǒng))主要由32位處理器、FPGA、電源模塊以及大量的外部模擬器件構(gòu)成，32位處理器作為主處理器，F(xiàn)PGA做加速或者其他補(bǔ)充功能。Altera此次把大量的外圍器件(包括振蕩器、時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器等)集成到MAX 10中，而過(guò)去系統(tǒng)的核心32位處理器也可以用Altera的軟核處理器Nios II來(lái)替代，這能夠讓電路板面積減小50%。需要指出的是，集成到FPGA的模擬器件(如12位SAR ADC)，其性能可以與單獨(dú)的器件媲美，而集成到FPGA內(nèi)部以后，不但減小了版級(jí)面積，還降低了物料成本，并片內(nèi)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和測(cè)量環(huán)境狀態(tài)。Patrick還特意演示了MAX 10的模擬部分功能(請(qǐng)看文章結(jié)尾處視頻)，他還爆料稱(chēng)：將來(lái)Altera還可能把電源系統(tǒng)也集成到FPGA內(nèi)部。

圖2 新舊FPGA系統(tǒng)對(duì)比圖

嵌入式閃存提高系統(tǒng)價(jià)值

現(xiàn)在不管是處理器廠商還是FPGA廠商都在熱衷于做“集成”，把更多的模擬部分、多個(gè)處理器集成到芯片中，這也促進(jìn)了近幾年SoC迅速發(fā)展。而“集成熱”也導(dǎo)致了另一個(gè)問(wèn)題：芯片差異化更加艱難，這也使得廠商需要從其他角度去探索如何差異化以提高系統(tǒng)價(jià)值。

Altera找到了很好的切入點(diǎn)——嵌入式閃存工藝。為什么嵌入式閃存事關(guān)重大呢?Patrick總結(jié)為4點(diǎn)：(1)降低了成本，因?yàn)闇p少了BOM并實(shí)現(xiàn)了更小的電路板面積;(2)降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橐芾淼墓?yīng)商減少了，簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)，并可以維持較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期;(3)失效安全遠(yuǎn)程更新，其能存儲(chǔ)兩個(gè)配置鏡像，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新的同時(shí)不影響系統(tǒng)本身的運(yùn)行;(4)由于其瞬時(shí)接通配置和上電排序功能而提高了系統(tǒng)管理效率。MAX 10中的閃存(NOR)包括1個(gè)用戶(hù)閃存和兩個(gè)配置閃存?？偹苤?，閃存的功耗和成本對(duì)于芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，MAX 10的功耗范圍為100 mW(待機(jī)時(shí))~1 W(運(yùn)行在200 MHz時(shí))，價(jià)格也是很低的。Patrick透露：MAX 10之所以可以實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本，并且實(shí)現(xiàn)雙配置閃存和用戶(hù)閃存，除了芯片本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最重要的是采用了臺(tái)積電(TSMC) 55 nm嵌入式閃存工藝。可惜的是，盡管雙配置閃存這種功能很實(shí)用，但基于工藝差異，目前也不能推廣到其他FPGA系列。

MAX 10的嵌入式處理功能也幫助其提高了系統(tǒng)價(jià)值。Patrick詳細(xì)進(jìn)行了講解：(1)MAX 10是單芯片嵌入式處理器系統(tǒng)，有軟核Nios II處理器支持、更小的引腳布局且不需要外部RAM或者存儲(chǔ);(2)用戶(hù)可定制處理器，具有MCU所不具備的靈活性;(3)支持實(shí)時(shí)應(yīng)用，在10 ms內(nèi)完成配置，這點(diǎn)是汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用特別看重的;(4)維持較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期。

圖3 MAX 10內(nèi)部架構(gòu)圖

目標(biāo)應(yīng)用升級(jí)

MAX 10 的目標(biāo)市場(chǎng)主要有工業(yè)、汽車(chē)系統(tǒng)以及通信、計(jì)算和存儲(chǔ)應(yīng)用。在正式發(fā)布MAX 10前，Altera找了100名客戶(hù)加入到了MAX 10 的早期使用計(jì)劃，Patrick很高興地談到了中國(guó)的情況：“中國(guó)的早期使用客戶(hù)集中在機(jī)器視覺(jué)和電機(jī)控制領(lǐng)域。MAX 10的雙配置閃存和嵌入式處理功能，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)中的失效安全遠(yuǎn)程更新(雙配置中一個(gè)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一個(gè)用于更新)和運(yùn)動(dòng)控制處理，也可以保障電機(jī)控制應(yīng)用中多個(gè)電機(jī)在10 ms內(nèi)進(jìn)行快速切換。例如，運(yùn)動(dòng)控制屬于高性能控制，借助MAX 10內(nèi)部的DSP，客戶(hù)可編寫(xiě)精準(zhǔn)的算法，而且車(chē)間的環(huán)境和要求會(huì)不斷變化，用戶(hù)通過(guò)改變算法就可以作相應(yīng)調(diào)整，體現(xiàn)了FPGA的靈活性。”

3 mm×3 mm的小封裝MAX 10成為空間受限系統(tǒng)的高效解決方案。針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用，MAX 10可以用于信息娛樂(lè)、輔助駕駛和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。例如，其瞬時(shí)接通配置與輔助駕駛的快速系統(tǒng)相應(yīng)完美契合，其DSP可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)逆變器和轉(zhuǎn)換器中的加速控制環(huán)。針對(duì)高級(jí)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)應(yīng)用，其能夠有效地管理復(fù)雜控制功能，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)配置、接口橋接、電源排序和I/O拓展。此外，鑒于現(xiàn)在客戶(hù)都傾向于有了開(kāi)發(fā)板才使用新的芯片，Altera此次不只是推出MAX 10芯片，還包括起價(jià)30美元的評(píng)估套件、軟件、設(shè)計(jì)實(shí)例、培訓(xùn)和相關(guān)文檔，這為工程師們節(jié)約了大量時(shí)間。

圖4 芯片及開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

與工藝技術(shù)共同飛躍

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA產(chǎn)品每次的更新?lián)Q代都會(huì)讓性能提高約15%，而Altera基于Intel 14 nm 三柵極工藝的Stratix 10比舊產(chǎn)品性能提高了2倍。我想這也代表著未來(lái)產(chǎn)品演進(jìn)的趨勢(shì)，從半導(dǎo)體廠商、行業(yè)公司到終端用戶(hù)，整個(gè)生態(tài)鏈都不再滿(mǎn)足于小的進(jìn)步，而是大的跨越，甚至是顛覆，這個(gè)時(shí)代人的心境就是“躁動(dòng)”的，其積極一面是推動(dòng)了創(chuàng)新?；赥SMC 20 nm的Arria 10也被Altera定義為性能最好的20 nm FPGA和SoC。Patrick自豪地表示：“Altera與Intel和TSMC都保持了良好的關(guān)系，Altera與TSMC的緊密合作從戰(zhàn)略來(lái)說(shuō)對(duì)于中國(guó)也是非常重要的。還有一點(diǎn)是需要再次強(qiáng)調(diào)的，與TSMC合作的MAX 10是目前世界唯一一款基于55 nm嵌入式閃存工藝的FPGA。”這也體現(xiàn)了MAX 10的珍貴之處。

在新中國(guó)成立65周年之際推出MAX 10應(yīng)該是Altera的有心為之，憑借這個(gè)“國(guó)慶大禮”的獨(dú)特性能，相信能幫助Altera進(jìn)一步拓展中國(guó)的工業(yè)、通信、計(jì)算和存儲(chǔ)等市場(chǎng)。