FPGA與處理器的集成會否成為推動摩爾定律發(fā)展的“黑天鵝”

在發(fā)現(xiàn)澳大利亞的黑天鵝之前，歐洲人認為天鵝都是白色的，“黑天鵝”曾經(jīng)是歐洲人言談與寫作中的慣用語，用來指不可能存在的事物，但這個不可動搖的信念隨著第一只黑天鵝的出現(xiàn)而崩潰。

隨機科學(xué)系教授Nassim Nicholas Taleb的《黑天鵝》一書中，將黑天鵝比喻為不可欲知的重大事件，它在意料之外，卻對社會、歷史等發(fā)展有著非常重大的影響和推動作用。個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)的誕生及 “9•11”事件等都被喻為黑天鵝。

把黑天鵝理論應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)會有怎樣的發(fā)現(xiàn)呢？“受到功耗的制約，隨著半導(dǎo)體工藝的提升，器件性能目前無法實現(xiàn)與Moore定律相吻合的提高。”Altera公司產(chǎn)品和企業(yè)市場副總裁Vince Hu認為，“這就需要一個黑天鵝事件——一個“異常的”創(chuàng)新技術(shù)——以更低的功耗實現(xiàn)更高的性能，使得摩爾定律能成功和持續(xù)的發(fā)展。”Intel即將推出的基于Atom的可配置新處理器在多芯片封裝中包含了Intel Atom E600系列以及配對的Altera® FPGA。對于希望采用專用I/O或者加速硬件的用戶而言，這進一步提高了他們的靈活性，還支持開發(fā)人員迅速應(yīng)對需求的變化，從而突出其設(shè)計優(yōu)勢。

圖：Altera公司產(chǎn)品和企業(yè)市場副總裁Vince Hu

Intel認為，這種FPGA與處理器的集成方案將成為突破功耗制約的黑天鵝事件，推動摩爾定律的發(fā)展。Intel嵌入式通信組副總裁兼總經(jīng)理Doug Davis說：“靈活性是嵌入式設(shè)計人員的關(guān)鍵，而FPGA技術(shù)提供了更多的選擇。Intel最近發(fā)布了集成Altera FPGA與基于Intel Atom處理器的多芯片封裝產(chǎn)品，繼續(xù)為嵌入式開發(fā)人員提供靈活的智能解決方案。”

為加速實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中可編程邏輯與處理器的集成，Altera公司近日發(fā)布了其嵌入式計劃。通過這一計劃，Altera為設(shè)計人員提供了基于Quartus® II開發(fā)軟件的單一FPGA設(shè)計流程——包括新的Qsys系統(tǒng)級集成工具、公用FPGA知識產(chǎn)權(quán)(IP)庫，以及新的ARM Cortex-A9 MPCore和MIPS技術(shù)公司MIPS32嵌入式處理器產(chǎn)品等。利用這一設(shè)計流程，嵌入式設(shè)計人員能夠迅速方便的面向Altera Nios II、基于ARM和MIPS的嵌入式處理器以及最近發(fā)布的可配置Intel Atom處理器開始設(shè)計。Qsys系統(tǒng)級集成工具利用了業(yè)界首創(chuàng)的FPGA優(yōu)化芯片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來支持多種業(yè)界標準IP協(xié)議，提高了結(jié)果質(zhì)量，具有很高的效能。

圖：Altera公司的嵌入式計劃提供基于Quartus II軟件的單一設(shè)計流程

今年年初，賽靈思公司在美國硅谷嵌入式系統(tǒng)大會上展示出的基于ARMCortex-A9 MPCore的可擴展式處理平臺。軟件開發(fā)人員可以充分利用基于 ARM 技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)代碼，并使用大量現(xiàn)成的開放源代碼以及已經(jīng)商用的軟件組件庫。

從這兩家公司的發(fā)布可以看出，F(xiàn)PGA進入嵌入式實際的時機已經(jīng)成熟。
   
Vince Hu表示：“首先，對更高軟件性能的需求持續(xù)的增長。而在五年前業(yè)界就開始朝系統(tǒng)處理并行化方向發(fā)展而不是僅僅提高單個 CPU核的性能。這種并行化的方向主要包?兩類技術(shù)，一個是多內(nèi)核，第二個就是硬件協(xié)處理加速器。硬件協(xié)處理加速器是最理想化的或者說是從效果來講是最好的。但是沒有任何的方式能夠提前知道哪些軟件功能需要能夠通過硬加速的方式實現(xiàn)。所以 FPGA 是理想的加速器的實現(xiàn)方案，因為它是現(xiàn)場可編程的。但是為了使得 FPGA作為協(xié)加速，達到最理想的性能、最好的效率，實際上需要 FPGA和 CPU 之間做緊密的耦合，來減少延遲。所以說 CPU+FPGA這樣結(jié)合的方式，需要更多更緊密的結(jié)合。

第二個原因是就現(xiàn)狀來講 FPGA 事實上已經(jīng)集成為 CPU 硬件的協(xié)加速器，調(diào)查顯示，42%的嵌入式設(shè)計工程師他們已經(jīng)把 FPGA 集成到他們嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。另一方面Altera 自己的用戶中有 30%的這種設(shè)計中已經(jīng)包含了嵌入式軟核。FPGA和 CPU的集成案例已經(jīng)非常多了。通過這種方式，我們的用戶可以通過更高級的集成來獲得成本上的消減，比如說可以消減版上元器件的數(shù)目，通過這種方式可以降低器件成本和整個系統(tǒng)成本。

第三個原因是，目前業(yè)界很多芯片廠商已經(jīng)在采用處理器+FPGA 這種方案，采用軟的處理器+FPGA，或者是硬核 CPU+FPGA 這種模式進行。我們看到這種趨勢會在未來繼續(xù)延續(xù)下去，并且在這種趨勢之下有必要推出一個單一的工具把這種流程簡化，這樣設(shè)計者可以很方便地在這種設(shè)計流程里面把 CPU 和 FPGA結(jié)合起來。”

此外，Altera將繼續(xù)拓展目前的嵌入式合作伙伴計劃，聯(lián)合ARM、Intel和MIPS技術(shù)公司以及FPGA業(yè)界的多個合作伙伴。此外，Altera將與他們協(xié)作，增強設(shè)計流程，支持越來越多的FPGA嵌入式處理產(chǎn)品走向市場。”
　
Vince Hu還透露了Altera上半年與ARM有限公司簽署協(xié)議，授權(quán)包括Cortex-A9微處理器在內(nèi)的多種技術(shù)。Altera將在28nm FPGA技術(shù)中提供集成了增強Cortex A9處理器子系統(tǒng)的產(chǎn)品。Altera將在2011年發(fā)布這些基于ARM處理器的器件的詳細信息。

Altera還進一步擴展了軟核處理器系列產(chǎn)品，即將在2011年上半年推出基于MIPS技術(shù)公司MIPS32處理器體系結(jié)構(gòu)的MP32軟核處理器。MP32是Altera、MIPS技術(shù)公司以及主要用戶過去幾年密切協(xié)作的結(jié)果。它針對Altera器件完善了Altera Nios II嵌入式處理器以及合作伙伴軟核CPU系列產(chǎn)品，極大的豐富了FPGA可以使用的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

本季度末，Altera將提供Qsys系統(tǒng)集成工具，它是Quartus II開發(fā)軟件的一部分。采用業(yè)界首創(chuàng)的FPGA優(yōu)化芯片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Qsys能夠提供存儲器映射和數(shù)據(jù)通路互聯(lián)，使Altera SOPC Builder工具的性能幾乎提高至兩倍，同時支持業(yè)界標準IP接口，例如，AMBA。Qsys將采用使用方便的SOPC Builder界面，支持與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)移植的后向兼容。而且，這一高級互聯(lián)技術(shù)將支持分層設(shè)計、漸進式編譯以及部分重新配置方法。