引言
集成了 FPGA 架構(gòu)、硬核 CPU 子系統(tǒng)以及其他硬核 IP 的半導(dǎo)體器件 SoC FPGA 已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”，它在今后十年中會(huì)得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。對(duì)于在 FPGA 上開發(fā)的系統(tǒng)，這些 SoC FPGA 完善了十多年以來(lái)的軟核 CPU 以及其他軟核 IP。各種技術(shù)、商業(yè)和市場(chǎng)因素相結(jié)合推動(dòng)了這一關(guān)鍵點(diǎn)的出現(xiàn)，Altera、Cypress ®半導(dǎo)體、Intel ®和 Xilinx ®公司等供應(yīng)商都發(fā)布或者開始發(fā)售 SoC FPGA 器件。
這一關(guān)鍵點(diǎn)的主要推動(dòng)因素包括：
過(guò)渡到并行和多核處理，以提高功效。
FPGA成為前沿的新半導(dǎo)體工藝技術(shù)
嵌入式系統(tǒng)中越來(lái)越多的使用了FPGA
摩爾定律的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)
CPU在體系結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)
隨著SoC FPGA時(shí)代的來(lái)臨，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇這些器件時(shí)需要考慮以下關(guān)鍵策略問(wèn)題：
哪些器件會(huì)經(jīng)歷“平臺(tái)效應(yīng)”，使得供應(yīng)商、輔助支撐系統(tǒng)以及用戶之間出現(xiàn) “自我增強(qiáng)循環(huán)”?
哪些器件能夠在多種選擇中支持IP重用?
哪些FPGA技術(shù)能夠最大限度的降低成本，提高性能 ?
SoC FPGA 的關(guān)鍵點(diǎn)
業(yè)界集成FPGA和CPU系統(tǒng)在第一個(gè)十年發(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 (2)，而 FPGA 中的軟核 CPU 得到了廣泛應(yīng)用 (3)，這表明市場(chǎng)對(duì)FPGA和CPU技術(shù)集成有基本的需求。各種新的因素改變了業(yè)界環(huán)境，導(dǎo)致關(guān)鍵點(diǎn)的出現(xiàn)，SoC FPGA將在市場(chǎng)上獲得非常廣泛的應(yīng)用。
推動(dòng)業(yè)界這一關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)的關(guān)鍵因素包括：
計(jì)算功效
FPGA 過(guò)渡到前沿工藝技術(shù)
FPGA 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
摩爾定律的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)
CPU 在體系結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)
計(jì)算功效
計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)是并行處理，近期集中在處理器從高成本的單核處理發(fā)展到多核實(shí)現(xiàn)上 (4)。在提高計(jì)算性能的同時(shí)降低功耗，這促使人們采用 FPGA邏輯作為CPU的硬件加速器。(5)
一個(gè) SoC FPGA 系統(tǒng)提高了功效，實(shí)現(xiàn)了靈活的軟件劃分。SoC FPGA 支持?jǐn)?shù)百路數(shù)據(jù)信號(hào)連接不同的功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)每秒100-gigabits (Gbps) 帶寬，甚至更大的帶寬，其延時(shí)在納秒級(jí)，性能和延時(shí)比分立器件要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，單個(gè)集成平臺(tái)支持存儲(chǔ)器控制器的共享，寬帶存儲(chǔ)器可以訪問(wèn)硬件加速器。
性能的提高以及存儲(chǔ)器訪問(wèn)功能支持采用 FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的加速器，以滿足各種各樣的計(jì)算要求。由于硬件加速器在功效上要比 CPU 高 1，000 多倍，因此，與簡(jiǎn)單的多核并行方法相比，采用 SoC FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高功效計(jì)算較好的方法。
FPGA過(guò)渡到前沿工藝技術(shù)
在 2000 年，最新的 FPGA 采用了 130-nm 工藝技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，而目前的 CPU 采用的是90-nm 工藝技術(shù)。由于有更高級(jí)的 CPU，因此，第一代 SoC FPGA 的推出有些滯后。然而，當(dāng)今的前沿FPGA采用28-nm工藝技術(shù)，相對(duì)而言只有很少的商用 CPU或者ASSP使用了這一工藝技術(shù)，當(dāng)然在今后有可能使用該技術(shù)。FPGA在工藝技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)明顯增強(qiáng)了這些集成器件的市場(chǎng)潛力，供應(yīng)商也傾向于在這方面加大投入，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不需要在 CPU性能上作出犧牲，如圖1 所示。
圖 1.FPGA 過(guò)渡到前沿工藝技術(shù)FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
在2000年，對(duì)于大部分嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，F(xiàn)PGA還是相對(duì)比較昂貴的器件，結(jié)果，與相應(yīng)的 CPLD 或者 PAL 相比，其應(yīng)用相對(duì)較少。然而，在過(guò)去十年中，基于 SRAM 的 FPGA在降低成本上超越了 CMOS，由此，EE Times年度嵌入式調(diào)查表明，接近50%的嵌入式系統(tǒng)采用了FPGA。(6) SoC FPGA 最顯著的優(yōu)勢(shì)是成本比分立器件低很多，芯片供應(yīng)商有很大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)來(lái)獲得投資回報(bào)。
摩爾定律的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)
摩爾定律顯得越來(lái)越 “昂貴”。開發(fā)高級(jí) CMOS半導(dǎo)體的制造設(shè)施成本大約在60億到10億美元 (7)。 由于需要 4千萬(wàn)美元的成本來(lái)開發(fā)新半導(dǎo)體器件 (8)，因此，在典型的利潤(rùn)模型中，半導(dǎo)體器件應(yīng)能夠獲得1億美元的毛利潤(rùn)，20%的收益要花在研發(fā)上。典型的毛利潤(rùn)是 50%時(shí) (9) ，企業(yè)至少要占據(jù)2億美元的市場(chǎng)份額。除了消費(fèi)類電子、移動(dòng)電話和PC之外，很少有能夠達(dá)到這一規(guī)模的應(yīng)用市場(chǎng)，因此，單一目的或者固定功能的器件很難獲得投資回報(bào)。在今后的工藝技術(shù)中，高級(jí)半導(dǎo)體的成本會(huì)越來(lái)越高，這一成本結(jié)構(gòu)使得開發(fā)固定功能半導(dǎo)體器件很難獲得較好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，這表明在可編程邏輯技術(shù)上的投入會(huì)越來(lái)越多，而專用 ASSP和CPU等固定功能器件的投入會(huì)越來(lái)越少。SoC FPGA有潛力應(yīng)用于很多市場(chǎng)領(lǐng)域，將會(huì)獲得更多的投入。
CPU在體系結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)
嵌入式處理這一術(shù)語(yǔ)涵蓋了多種應(yīng)用，從對(duì)成本非常敏感的4位處理器到非常復(fù)雜的多核64位處理器。相似的，這種廣泛的應(yīng)用一直支持各種類型的處理器、操作系統(tǒng)和軟件供應(yīng)商。與2000年相比，這種廣泛性在2011年表現(xiàn)出很大的不同。對(duì)于其規(guī)模和多樣性而言，嵌入式市場(chǎng)總體上向速度更快、功能更強(qiáng)的處理器發(fā)展;例如，16位微控制器逐漸被32位CPU替代。同時(shí)，四種應(yīng)用最廣泛的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)32位 CPU 系列的支持，這些體系結(jié)構(gòu)包括：ARM ®、MIPS ®、PowerPC ™和 x86。之所以對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，主要是因?yàn)檐浖匦院凸δ苤赜?(10)。結(jié)果，采用了這些 CPU體系結(jié)構(gòu)之一的SoC FPGA能夠占據(jù)更大的市場(chǎng)，因此，供應(yīng)商更愿意在這類半導(dǎo)體上加大投入。
平臺(tái)效應(yīng)
生產(chǎn)商、用戶和輔助支撐系統(tǒng)在產(chǎn)品上彼此之間會(huì)有影響時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效應(yīng) (11)，或者稱為平臺(tái)效應(yīng)。平臺(tái)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，它在用戶基礎(chǔ)和輔助支撐系統(tǒng)中的價(jià)值就越高。結(jié)果，用戶基礎(chǔ)和輔助支撐系統(tǒng)就會(huì)在這種技術(shù)上加大投入，從而吸引更多的應(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 (12)、視頻記錄格式 (13) 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(huì)在這種循環(huán)中不斷發(fā)展，這是因?yàn)閰⑴c到新產(chǎn)品中的所有成員都會(huì)獲得較高的 ROI。平臺(tái)一旦開始啟動(dòng)后，它會(huì)吸引更多的投入，活躍的市場(chǎng)很快就會(huì)轉(zhuǎn)向這一標(biāo)準(zhǔn)。
SoC FPGA 極有可能看到這種平臺(tái)效應(yīng)。隨著 SoC FPGA 的不斷發(fā)展，用戶將非常愿意重新使用他們?cè)诙喾N系統(tǒng)中使用過(guò)的 FPGA IP 和設(shè)計(jì)軟件。例如，CPU 輔助支撐系統(tǒng)中的成員愿意盡可能少的去學(xué)習(xí) FPGA開發(fā)工具，而 CPU供應(yīng)商則希望減少 FPGA開發(fā)工具的數(shù)量。結(jié)果，支持多家供應(yīng)商和 CPU體系結(jié)構(gòu)的SoC FPGA平臺(tái)很有可能觸發(fā)這種平臺(tái)效應(yīng)，幫助這些用戶和輔助支撐系統(tǒng)成員獲得很大的優(yōu)勢(shì)。
Altera 的方法
Altera在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行了多年的創(chuàng)新投入后，已經(jīng)啟動(dòng)了“嵌入式計(jì)劃”，目的是建立一個(gè)基于一種 FPGA設(shè)計(jì)流程方法的多家供應(yīng)商、多 CPU 體系結(jié)構(gòu) SoC FPGA 平臺(tái)。FPGA設(shè)計(jì)流程方法可以用作多種 SoC FPGA的基礎(chǔ)，以及使用軟核CPU和其他軟核IP 的 SoC 解決方案?？梢詮?Altera 獲得 ARM ( 硬核 )、MIPS ( 軟核)和Nios® II (軟核 ) CPU，而 Atom E6X5C 可配置處理器由 Intel 提供。這種集成方法在一種 FPGA 體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程中統(tǒng)一了三種主要的CPU體系結(jié)構(gòu)以及最流行的基于FPGA的軟核CPU。
推動(dòng)創(chuàng)新
FPGA設(shè)計(jì)流程集成方法旨在激勵(lì)輔助支撐系統(tǒng)從主要處理器體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向投入單一FPGA平臺(tái)和工具流程，從而帶來(lái)豐富的工具、應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)軟件和專業(yè)知識(shí)支持。隨著數(shù)百家全球輔助支撐系統(tǒng)成員在 CPU體系結(jié)構(gòu)上的投入，這一FPGA平臺(tái)及其越來(lái)越多的工具、軟件和IP應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來(lái)越重要，表明其價(jià)值定位將促進(jìn)應(yīng)用，從而推動(dòng)了良性平臺(tái)循環(huán)。
提供功能強(qiáng)大的工具和 IP
這一多供應(yīng)商平臺(tái)的關(guān)鍵組成是對(duì) FPGA 邏輯進(jìn)行編程的 Quartus ® II 軟件流程。除了這些優(yōu)點(diǎn) (14)，Quartus II 軟件還包括 Qsys 系統(tǒng)集成工具，它采用了 Altera 的第二代交換架構(gòu)技術(shù)，用于加速軟核 IP 的開發(fā)、重用和集成。基于 GUI 的 Quartus II 軟件有免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)版和擁有完全許可的版本，其設(shè)計(jì)流程包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和時(shí)序收斂方法、在系統(tǒng)驗(yàn)證以及第三方EDA工具支持，滿足了效能和性能需求。
除了 Altera 傳統(tǒng)的 Avalon ®存儲(chǔ)器映射 (Avalon-MM) 接口和數(shù)據(jù)通路總線接口規(guī)范，Qsys還支持ARM AXI ™標(biāo)準(zhǔn)，可以采用自動(dòng)的 “混合匹配”方法來(lái)集成基于Avalon的IP和基于AXI的 IP。Qsys支持您利用直觀快速的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在通用平臺(tái)上方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)重用和在系統(tǒng)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)基于 ARM 和 Intel 的 SoC FPGA，以及 MIPS 和 Nios II 軟核 CPU SoC 實(shí)現(xiàn)。
定制 28-nm 系列器件
Altera 的 28-nm FPGA 系列器件是業(yè)界最全面的器件，針對(duì)用戶的各種設(shè)計(jì)需求進(jìn)行定制 (15)。Altera為各種最終應(yīng)用需求提供非常優(yōu)異的FPGA體系結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)——性能最好的高密度 Stratix ® V 器件，成本最優(yōu)的大批量 Cyclone ® V 器件，以及在性能和成本上達(dá)到均衡的中端 Arria ® V 器件。全系列 SoC FPGA 受益于這種定制方法。
Altera 最新的 SoC FPGA 將含有基于 ARM Cortex-A9MP 內(nèi)核的高級(jí)處理器模塊，如圖2所示：
圖 2.Altera SoC FPGA 體系結(jié)構(gòu)
Altera SoC FPGA 體系結(jié)構(gòu)在 ARM-Cortex A9 子系統(tǒng)中將含有多種硬核 IP，以及高性能多端口存儲(chǔ)器控制器，以提高存儲(chǔ)器帶寬。FPGA和 CPU子系統(tǒng)之間的寬帶低延時(shí)互聯(lián)將支持高性能應(yīng)用和高效的FPGA硬件加速。高級(jí)內(nèi)部交換架構(gòu)將支持高效的數(shù)據(jù)吞吐量，以及高效能在系統(tǒng)觀察和調(diào)試。Qsys、Quartus II 軟件以及 ARM 聯(lián)絡(luò)社區(qū)軟件工具相結(jié)合后，這一器件將是一種性價(jià)比非常高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇，它利用標(biāo)準(zhǔn)工具流程提高了效能，支持新開發(fā)和驗(yàn)證。
結(jié)論
SoC FPGA時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。在關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和市場(chǎng)因素的推動(dòng)下，這些器件達(dá)到了關(guān)鍵點(diǎn)，很多供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)布了這些器件，或者開始發(fā)售。執(zhí)行管理人員和系統(tǒng)規(guī)劃人員在評(píng)估系統(tǒng)解決方案時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮平臺(tái)效應(yīng)、IP重用以及 FPGA工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
Altera 與主要的 CPU 供應(yīng)商 ARM、Intel 和 MIPS 合作，為 SoC FPGA 器件和軟核 CPU 解決方案提供公共FPGA平臺(tái)。這種合作關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)界應(yīng)用最廣泛的CPU體系結(jié)構(gòu)及其輔助支撐系統(tǒng)，繼承相同的高級(jí) FPGA設(shè)計(jì)流程，從而在這一平臺(tái)上增強(qiáng)了IP重用，提高了靈活性。這種集成方法實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)效應(yīng)，促進(jìn)了這一平臺(tái)以及支持CPU及其輔助支撐系統(tǒng)的增長(zhǎng)和發(fā)展。
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