FPGA:將融合進(jìn)行到底

從最初膠合邏輯發(fā)家，到不斷集成微處理器、DSP、專用IP等，FPGA迎來了其硅片融合的“黃金時代”——不僅拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，承擔(dān)起信號處理和數(shù)據(jù)運(yùn)算的重要功能，還蠶食了ASIC、DSP等的市場份額。FPGA的發(fā)展史就是將“融合進(jìn)行到底”的過程。在未來幾年，3D封裝和Open CL等關(guān)鍵支撐技術(shù)將使其邁上新臺階。

融合以兼顧靈活性和效率
FPGA是硬件可編程的，可通過與其他功能模塊融合兼顧靈活性和效率。
這一發(fā)展脈絡(luò)是大勢使然，英特爾的一份關(guān)于靈活性與效率的報告顯示，通用處理器或通用芯片因可用軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)用，具有很高的靈活性，它的問題是功效較低。而專用芯片ASSP或ASIC是專門針對某一應(yīng)用固化的硬件，不可編程，雖具有低成本、高效率，但靈活性差。報告得出的結(jié)論是在系統(tǒng)中要兼顧靈活性和功效，最好的方案就是處理器與專用硬件相融合?！坝捎贔PGA是硬件可編程的，因而可通過與其他功能模塊融合兼顧靈活性和效率?！盇ltera公司資深副總裁兼首席技術(shù)官Misha Burich對《中國電子報》記者介紹說，“如FPGA集成了處理器，將為FPGA帶來軟件編輯的靈活性。同時，如果把ASIC跟ASSP的一些特性加入到FPGA中，又可為系統(tǒng)帶來更高的功效、更低的成本。通過硅片融合，F(xiàn)PGA廠商已可提供收發(fā)器、接口控制器、存儲器、內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)的硬件架構(gòu)，從而不斷拓寬應(yīng)用空間。”而FPGA業(yè)另一巨頭賽靈思(Xilinx)打造的“All Programmable”平臺就是硅片融合的“結(jié)晶”，它可將3D堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)、ARM處理器、DSP、存儲器和諸多IP核等集于一體。
而在融合時代，F(xiàn)PGA廠商有天然的優(yōu)勢。Misha Burich提到，F(xiàn)PGA廠商了解FPGA的架構(gòu)，如果沒有FPGA的積累，一些芯片廠商盡管可以去實現(xiàn)硅片融合，但他們只能做到在處理器上加入一些硬核IP，靈活性不高。
而在迎接硅片融合的時代，還需要廠商提供相應(yīng)功能模塊的支撐技術(shù)。Misha Burich就表示，Altera公司在這些方面都有相應(yīng)的積累。比如集成處理器，可為客戶提供自有的Nios 2軟核處理器以及ARM處理器、MIPS、ColdFire處理器、Atom等。在ASIC方面，可提供HardCopy產(chǎn)品，能為客戶提供嵌入式ASIC方案。在ASSP方面，Altera會提供解決方案，同時會有一些IP。在DSP部分，Altera可提供浮點運(yùn)算、可變精度的DSP模塊。

軟件至關(guān)重要
FPGA廠商需要提供涵蓋綜合/仿真/時序分析、系統(tǒng)互聯(lián)等在內(nèi)的開發(fā)環(huán)境。
然而，硅片融合使FPGA產(chǎn)生的混合系統(tǒng)架構(gòu)對于開發(fā)環(huán)境的要求也在走高，單單做芯片已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更多更復(fù)雜的軟件開發(fā)工作“如影隨形”?！癋PGA廠商需要提供涵蓋綜合/仿真/時序分析、系統(tǒng)互聯(lián)、基于C語言的編程工具、DSP編程、嵌入式軟件工具在內(nèi)的開發(fā)環(huán)境?！盡isha Burich指出。
為讓客戶能夠高效地使用芯片，提高易用性和投入產(chǎn)出比，Altera公司也投入了巨大的力量。Misha Burich透露，公司有50%的員工在做軟件開發(fā)，一部分自己開發(fā)，一部分會和第三方合作。針對如此復(fù)雜的混合系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，Altera公司已經(jīng)練就了一一化解的“招數(shù)”。
Misha Burich介紹指出，在綜合、方針及時序分析方面，有傳統(tǒng)的QuartusII;在片上互連方面，有Qsys工具。在基于C語言的編程工具上，可通過C語言，用Open CL的編譯器來對FPGA進(jìn)行編程。Open CL(開放運(yùn)算語言)是第一個面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式免費標(biāo)準(zhǔn)，也是一個統(tǒng)一的編程環(huán)境。在DSP編程方面，通過與The MathWorks合作，可以通過SoPC Builder下的DSP Builder提供給客戶。同時在嵌入式的軟件工具及OS支持方面，由于Altera有最強(qiáng)大的處理器組合，可通過他們的第三方開發(fā)工具，獲得對FPGA的開發(fā)支持。
為讓客戶能夠充分利用全新“All Programmable”器件的系統(tǒng)集成能力，賽靈思也傾力打造了全新Vivado設(shè)計套件。賽靈思全球高級副總裁兼亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人表示，Vivado設(shè)計套件不僅能加速可編程邏輯和IO的設(shè)計速度，還突破了可編程系統(tǒng)集成度和速度兩方面的重大瓶頸，將設(shè)計生產(chǎn)力提高到同類競爭開發(fā)環(huán)境的4倍。

3D封裝成關(guān)鍵支撐技術(shù)
FPGA融合架構(gòu)的演進(jìn)還將持續(xù)，3D封裝和Open CL將是關(guān)鍵支撐技術(shù)。
未來幾年，F(xiàn)PGA融合架構(gòu)的演進(jìn)還在持續(xù)，而這需硬件和軟件的“鼎力相助”。Misha Burich指出，3D封裝和Open CL將是關(guān)鍵支撐技術(shù)。
日前，Altera宣布采用TSMC的CoWoS(基底晶圓芯片生產(chǎn))技術(shù)，開發(fā)出全球首顆能夠整合多元化技術(shù)的3D IC測試芯片。Misha Burich表示：“此項創(chuàng)新將模擬、邏輯及內(nèi)存等各種不同芯片技術(shù)堆棧于單一芯片上組合而成，極大地提高了系統(tǒng)性能，在更小封裝的基礎(chǔ)上大幅降低系統(tǒng)功耗和成本?！?BR>賽靈思也于日前宣布正式發(fā)貨全球首款3D異構(gòu)All Programmable產(chǎn)品Virtex-7 H580T FPGA ，可提供多達(dá)16個28Gbps收發(fā)器和72個13.1Gbps收發(fā)器，也是唯一能滿足關(guān)鍵Nx100G和400G線路卡應(yīng)用功能要求的單芯片解決方案。
但Misha Burich同時指出，3D封裝技術(shù)比硅片融合更深入，它把不同的技術(shù)或者不同的管芯封裝在一個系統(tǒng)中，而硅片融合其實是把不同的技術(shù)放在一個管芯上。3D技術(shù)還面臨復(fù)雜度、散熱、成本和良率等問題，真正普及還需要時間。
而在利用OpenCL編程FPGA方面，Misha Burich稱Altera已開發(fā)出一款處于原型階段的軟件工具，它能在FPGA上完成獲取OpenCL代碼、編譯等工作，且具有足夠好的性能，可加快產(chǎn)品上市。