[導讀]對FPGA這種特殊芯片產(chǎn)品的認識開始于10年前對Altera公司的認識。Altera公司獨特的嚴謹氣質(zhì)與FPGA這種芯片非常契合。多年來跟蹤報道Altera在FPGA技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，加之后來有機會結(jié)識賽靈思公司，兩家業(yè)內(nèi)翹楚的針鋒
對FPGA這種特殊芯片產(chǎn)品的認識開始于10年前對Altera公司的認識。Altera公司獨特的嚴謹氣質(zhì)與FPGA這種芯片非常契合。多年來跟蹤報道Altera在FPGA技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，加之后來有機會結(jié)識賽靈思公司，兩家業(yè)內(nèi)翹楚的針鋒相對與惺惺相惜，使我對FPGA整個體系架構(gòu)的演進過程有了比較全面的理解。前段時間，有機會與Altera公司CTO、資深副總裁Misha Burich先生交流FPGA業(yè)界發(fā)展趨勢，使得自己對FPGA技術(shù)發(fā)展的理解愈加清晰和深刻。
FPGA體系架構(gòu)演進
FPGA興起于上世紀90年代，最初是作為替代膠合邏輯的產(chǎn)品，整個90年代，F(xiàn)PGA市場發(fā)展迅速。FPGA不斷攀登更高的工藝水平，以此來提高性能和降低成本，從而拉近與傳統(tǒng)ASIC在成本上的巨大差距，更充分發(fā)揮其靈活的優(yōu)越性。終于在40nm工藝水平時，F(xiàn)PGA通過Altera的Hardcopy技術(shù)實現(xiàn)的芯片與130nm的ASIC在芯片面積和成本上完全接近。
在不斷攀升工藝水平的同時，F(xiàn)PGA在自身架構(gòu)上也在不斷進行創(chuàng)新。一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)的邏輯單元數(shù)量幾十倍地增長，另一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)集成了越來越多的功能單元和IP，如ALM、RAM、XCVR、PLL、DSP等等。多功能模塊的集成使FPGA擴展了應(yīng)用領(lǐng)域，在通信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、測試測量、醫(yī)療等領(lǐng)域可部分取代傳統(tǒng)的ASIC、DSP和ASSP。
硅片融合的趨勢
進入2011年，整個半導體業(yè)界芯片融合的趨勢越來越鮮明。比如，以DSP見長的TI、ADI相繼推出將DSP與MCU集成在一起的芯片平臺，而以做MCU平臺為主的廠商也推出了在MCU平臺上集成DSP核的方案。在FPGA業(yè)界，這個趨勢更加明顯。除了DSP核和處理器IP早已集成在FPGA芯片上之外，F(xiàn)PGA廠商開始積極與處理器（核）廠商合作推出集成了FPGA的處理器平臺產(chǎn)品。這種融合的趨勢出現(xiàn)的根本原因是什么呢？
這還要從CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的優(yōu)缺點說起。通用的CPU和DSP軟件可編程、靈活性高，但功耗較高；FPGA具有硬件可編程的特點，非常靈活，功耗較低；ASIC和ASSP是針對特定應(yīng)用固化的，不可編程，不靈活，但功耗很低。這就牽涉到了一個矛盾：靈活性和效率的矛盾。隨著電子產(chǎn)品推陳出新速度不斷加快，對產(chǎn)品設(shè)計的靈活性和功耗效率要求越來越高，怎樣才能兼顧靈活性和功效，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。半導體業(yè)內(nèi)玩家們最終共同認可了一點：芯片的融合。將不同特點的芯片集成在一起，讓平臺具備他們所有的優(yōu)點，避免所有的缺點。因此，微處理器DSP專用IP可編程架構(gòu)成為芯片融合的主要架構(gòu)。
Misha Burich指出，在芯片融合的方向上，F(xiàn)PGA具有天然的優(yōu)勢。這是因為FPGA本身架構(gòu)非常清晰，其生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過多年的培育發(fā)展，非常完善，軟硬件和第三方合作伙伴都非常成熟，此外，因其自身在發(fā)展過程中已經(jīng)進行了很多CPUDSP和許多硬IP的集成，因此，在與其他處理器進行融合時，具有成熟的環(huán)境和豐富的經(jīng)驗。Altera已經(jīng)和業(yè)內(nèi)各個CPU核廠商展開了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel，推出了混合系統(tǒng)架構(gòu)的產(chǎn)品。
混合系統(tǒng)架構(gòu)核心技術(shù)
芯片的融合是個完美的解決方案，但真正落實在行動上卻面臨很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。多種不同架構(gòu)的部分融合在一起，在綜合、仿真和時序分析方面、嵌入式軟件工具和操作系統(tǒng)支持上、DSP編程、基于C語言的編程工具及系統(tǒng)互聯(lián)方面都面臨很多難點需要克服。Misha Burich說，系統(tǒng)支持環(huán)境對于融合的架構(gòu)來說顯得尤為重要。Altera公司的研發(fā)團隊中有一半人是作芯片研發(fā)，另一半人專門作編程支持工作。Misha Burich本人在EDA公司曾工作多年，作為CTO，他更加重視FPGA系統(tǒng)的編程環(huán)境的建設(shè)。
有兩項技術(shù)屬于混合系統(tǒng)架構(gòu)的支撐性技術(shù)。首先是OpenCL技術(shù)。OpenCL(全稱Open Computing Language，開放運算語言)是第一個面向異構(gòu)（也就是混合架構(gòu)）系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費標準，也是一個統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開發(fā)人員編寫高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類型架構(gòu)以及數(shù)字信號處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂、科研、醫(yī)療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。OpenCL 原本是圖形編譯器，通過C語言，可利用該編譯器對FPGA編程。它是一個開放的架構(gòu)，支持編程人員使用Altera的硬件技術(shù)（FPGA芯片、Qsys、DSP-B、DSP-AB等），提供邏輯和數(shù)據(jù)管理功能，對產(chǎn)品上市時間和效能具有積極的影響。
另外一項關(guān)鍵技術(shù)是3D封裝技術(shù)，將不同的技術(shù)和管芯放在一個封裝當中，通過襯底進行管芯連接?；旌舷到y(tǒng)架構(gòu)是異構(gòu)的系統(tǒng)，將具有不同架構(gòu)的處理器核封裝在一起是很有難度的事情。但用戶和應(yīng)用要求必須將異構(gòu)系統(tǒng)集成到一個封裝中，這意味著要混合和匹配芯片IP，集成設(shè)計流程和集成系統(tǒng)測試方法，封裝在一起可以提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)功耗，更小的封裝會具有更低的系統(tǒng)成本。Altera與TSMC合作，采用其CoWoS（基底晶圓芯片）技術(shù)（該技術(shù)仍屬于2.5D封裝技術(shù)），將制造和封裝合并到一起，生產(chǎn)出Altera第一款異構(gòu)測試芯片。Altera還與IMEC（一家比利時的研發(fā)機構(gòu)）合作進行3D封裝研究，并與其他合作伙伴在2.5D和3D工具以及技術(shù)上進行合作，包括影響標準、評估小間距TSV（硅通孔）、開發(fā)小間距微凸塊等。
嶄新應(yīng)用
FPGA技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，以及硅片融合架構(gòu)產(chǎn)品的推出，使之可以應(yīng)用在許多以前不曾涉足的廣闊領(lǐng)域。在計算領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可用于服務(wù)器中進行硬件加速；在存儲領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可應(yīng)用在固態(tài)硬盤當中，減少延時；在工業(yè)領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可用于高能效的驅(qū)動器，和ARM處理器配合降低系統(tǒng)成本和功耗；在汽車中，SoC FPGA和ARM分工合作，實現(xiàn)視頻監(jiān)控，可實現(xiàn)車載輔助駕駛。
FPGA創(chuàng)新的腳步還在繼續(xù)，相信未來還會帶給人們更多驚喜。
FPGA體系架構(gòu)演進
FPGA興起于上世紀90年代，最初是作為替代膠合邏輯的產(chǎn)品，整個90年代，F(xiàn)PGA市場發(fā)展迅速。FPGA不斷攀登更高的工藝水平，以此來提高性能和降低成本，從而拉近與傳統(tǒng)ASIC在成本上的巨大差距，更充分發(fā)揮其靈活的優(yōu)越性。終于在40nm工藝水平時，F(xiàn)PGA通過Altera的Hardcopy技術(shù)實現(xiàn)的芯片與130nm的ASIC在芯片面積和成本上完全接近。
在不斷攀升工藝水平的同時，F(xiàn)PGA在自身架構(gòu)上也在不斷進行創(chuàng)新。一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)的邏輯單元數(shù)量幾十倍地增長，另一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)集成了越來越多的功能單元和IP，如ALM、RAM、XCVR、PLL、DSP等等。多功能模塊的集成使FPGA擴展了應(yīng)用領(lǐng)域，在通信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、測試測量、醫(yī)療等領(lǐng)域可部分取代傳統(tǒng)的ASIC、DSP和ASSP。
硅片融合的趨勢
進入2011年，整個半導體業(yè)界芯片融合的趨勢越來越鮮明。比如，以DSP見長的TI、ADI相繼推出將DSP與MCU集成在一起的芯片平臺，而以做MCU平臺為主的廠商也推出了在MCU平臺上集成DSP核的方案。在FPGA業(yè)界，這個趨勢更加明顯。除了DSP核和處理器IP早已集成在FPGA芯片上之外，F(xiàn)PGA廠商開始積極與處理器（核）廠商合作推出集成了FPGA的處理器平臺產(chǎn)品。這種融合的趨勢出現(xiàn)的根本原因是什么呢？
這還要從CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的優(yōu)缺點說起。通用的CPU和DSP軟件可編程、靈活性高，但功耗較高；FPGA具有硬件可編程的特點，非常靈活，功耗較低；ASIC和ASSP是針對特定應(yīng)用固化的，不可編程，不靈活，但功耗很低。這就牽涉到了一個矛盾：靈活性和效率的矛盾。隨著電子產(chǎn)品推陳出新速度不斷加快，對產(chǎn)品設(shè)計的靈活性和功耗效率要求越來越高，怎樣才能兼顧靈活性和功效，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。半導體業(yè)內(nèi)玩家們最終共同認可了一點：芯片的融合。將不同特點的芯片集成在一起，讓平臺具備他們所有的優(yōu)點，避免所有的缺點。因此，微處理器DSP專用IP可編程架構(gòu)成為芯片融合的主要架構(gòu)。
Misha Burich指出，在芯片融合的方向上，F(xiàn)PGA具有天然的優(yōu)勢。這是因為FPGA本身架構(gòu)非常清晰，其生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過多年的培育發(fā)展，非常完善，軟硬件和第三方合作伙伴都非常成熟，此外，因其自身在發(fā)展過程中已經(jīng)進行了很多CPUDSP和許多硬IP的集成，因此，在與其他處理器進行融合時，具有成熟的環(huán)境和豐富的經(jīng)驗。Altera已經(jīng)和業(yè)內(nèi)各個CPU核廠商展開了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel，推出了混合系統(tǒng)架構(gòu)的產(chǎn)品。
混合系統(tǒng)架構(gòu)核心技術(shù)
芯片的融合是個完美的解決方案，但真正落實在行動上卻面臨很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。多種不同架構(gòu)的部分融合在一起，在綜合、仿真和時序分析方面、嵌入式軟件工具和操作系統(tǒng)支持上、DSP編程、基于C語言的編程工具及系統(tǒng)互聯(lián)方面都面臨很多難點需要克服。Misha Burich說，系統(tǒng)支持環(huán)境對于融合的架構(gòu)來說顯得尤為重要。Altera公司的研發(fā)團隊中有一半人是作芯片研發(fā)，另一半人專門作編程支持工作。Misha Burich本人在EDA公司曾工作多年，作為CTO，他更加重視FPGA系統(tǒng)的編程環(huán)境的建設(shè)。
有兩項技術(shù)屬于混合系統(tǒng)架構(gòu)的支撐性技術(shù)。首先是OpenCL技術(shù)。OpenCL(全稱Open Computing Language，開放運算語言)是第一個面向異構(gòu)（也就是混合架構(gòu)）系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費標準，也是一個統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開發(fā)人員編寫高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類型架構(gòu)以及數(shù)字信號處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂、科研、醫(yī)療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。OpenCL 原本是圖形編譯器，通過C語言，可利用該編譯器對FPGA編程。它是一個開放的架構(gòu)，支持編程人員使用Altera的硬件技術(shù)（FPGA芯片、Qsys、DSP-B、DSP-AB等），提供邏輯和數(shù)據(jù)管理功能，對產(chǎn)品上市時間和效能具有積極的影響。
另外一項關(guān)鍵技術(shù)是3D封裝技術(shù)，將不同的技術(shù)和管芯放在一個封裝當中，通過襯底進行管芯連接?；旌舷到y(tǒng)架構(gòu)是異構(gòu)的系統(tǒng)，將具有不同架構(gòu)的處理器核封裝在一起是很有難度的事情。但用戶和應(yīng)用要求必須將異構(gòu)系統(tǒng)集成到一個封裝中，這意味著要混合和匹配芯片IP，集成設(shè)計流程和集成系統(tǒng)測試方法，封裝在一起可以提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)功耗，更小的封裝會具有更低的系統(tǒng)成本。Altera與TSMC合作，采用其CoWoS（基底晶圓芯片）技術(shù)（該技術(shù)仍屬于2.5D封裝技術(shù)），將制造和封裝合并到一起，生產(chǎn)出Altera第一款異構(gòu)測試芯片。Altera還與IMEC（一家比利時的研發(fā)機構(gòu)）合作進行3D封裝研究，并與其他合作伙伴在2.5D和3D工具以及技術(shù)上進行合作，包括影響標準、評估小間距TSV（硅通孔）、開發(fā)小間距微凸塊等。
嶄新應(yīng)用
FPGA技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，以及硅片融合架構(gòu)產(chǎn)品的推出，使之可以應(yīng)用在許多以前不曾涉足的廣闊領(lǐng)域。在計算領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可用于服務(wù)器中進行硬件加速；在存儲領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可應(yīng)用在固態(tài)硬盤當中，減少延時；在工業(yè)領(lǐng)域，混合架構(gòu)FPGA可用于高能效的驅(qū)動器，和ARM處理器配合降低系統(tǒng)成本和功耗；在汽車中，SoC FPGA和ARM分工合作，實現(xiàn)視頻監(jiān)控，可實現(xiàn)車載輔助駕駛。
FPGA創(chuàng)新的腳步還在繼續(xù)，相信未來還會帶給人們更多驚喜。
Altera公司CTO資深副總裁 Misha Burich
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