隨著去年FPGA率先宣布進入28nm工藝節(jié)點開始，28nmFPGA的舞臺就沒有冷場過，其量產(chǎn)也指日可待，而這一切都離不開“創(chuàng)新”的主旨在發(fā)揮能效。隨著FPGA與ARM核、MIPS核等的融合之勢不斷增強，F(xiàn)PGA在嵌入式市場將開始新的“攻城略地”。
創(chuàng)新技術引領
28nm工藝使FPGA進一步縮小了與專用芯片(ASSP)和定制芯片(ASIC)在價格和性能上的差距，市場競爭將不斷地從FPGA廠商之間的競爭，演變成FPGA廠商與ASSP、ASIC廠家之間的競爭。而這一切不只仰賴于工藝的進步，與其相生相隨的是創(chuàng)新技術使其“錦上添花”。
賽靈思公司亞太區(qū)銷售與市場副總裁楊飛對《中國電子報》記者介紹，賽靈思不僅在今年3月就發(fā)布了28nmFPGA，同時還是全球首家把堆疊硅片互聯(lián)技術用到FPGA中的公司，這一創(chuàng)新的意義重大。他進一步解釋，若只是根據(jù)摩爾定律，那么28nm只能夠做到120萬邏輯單元的密度，但通過這一技術，可把FPGA提升到200萬個邏輯單元的規(guī)模，這樣可進一步拓展FPGA的應用領域。此外，在28nm之后的工藝節(jié)點，存儲和模擬部分將更難實現(xiàn)，采用此類堆疊的方式將成為提高良率、優(yōu)化成本的有效途徑之一。“賽靈思的另一大創(chuàng)新是所有基于28nm的7系列器件均采用統(tǒng)一架構，以相同的架構構建塊按不同比例組合，并針對不同應用進行了優(yōu)化，能滿足從最低到最高器件密度和功能需求。”楊飛接著表示，“統(tǒng)一架構提供了可擴展性，提高了生產(chǎn)率，使得客戶可以最大限度地減少重新編碼、重新仿真的工作。”
而Altera在40nm系列產(chǎn)品大獲成功的基礎上，其28nm系列產(chǎn)品亦實現(xiàn)了多種創(chuàng)新。例如28Gbps收發(fā)器、部分可重配功能、嵌入式Hardcopy模塊等，極大地擴展了28nm FPGA的密度和I/O性能。Altera亞太區(qū)高級市場經(jīng)理羅嘉鸞介紹，28Gbps收發(fā)器將幫助用戶實現(xiàn)單片400G系統(tǒng)等下一代設計，而不需要采用昂貴的外部元件。而嵌入式HardCopy模塊可用于實現(xiàn)增強標準或者需要大量邏輯的功能，例如接口協(xié)議、專用功能和專業(yè)定制IP等，從而幫助用戶縮短設計面市時間。
而利用部分重新配置功能，設計人員無需關斷系統(tǒng)就可實現(xiàn)部分FPGA邏輯的重新配置，不但降低了功耗和成本，而且還有效地提高了邏輯密度。對于Altera而言，這一創(chuàng)新使其能夠面向特定市場迅速開發(fā)不同型號的各種產(chǎn)品。
而在FPGA市場走中低端路線的萊迪思公司卻在架構上大做文章。“對于中端和低密度器件，65nm仍然是最常見的工藝節(jié)點，架構的決策比工藝節(jié)點更重要。在不犧牲性能的情況下，降低成本和功耗是由架構決定的。由于設計決策和使用技術，我們的65nm LatticeECP3只有競爭對手40nm器件價格和功耗的一半。”萊迪思企業(yè)營銷副總裁及幕僚長Douglas Hunter進一步指出：“隨著時間的推移，萊迪思將轉移到更小的工藝節(jié)點，但時間將取決于客戶的需求。”
需要指出的是，專注于SRAM技術的FPGA已挺進28nm時代，而快閃FPGA技術即將進入65nm時代，這是兩種截然不同的FPGA創(chuàng)新方向。唯一開發(fā)快閃FPGA技術的美高森美SoC產(chǎn)品部陸地產(chǎn)品副總裁Rich Kapusta提到，使用快閃技術的主要創(chuàng)新優(yōu)勢表現(xiàn)在高安全性、高可靠性、低功耗和高集成度等方面，使用快閃技術使得美高森美成為這些性能方面的領先者。
SoC FPGA時代加速前行
隨著集成密度的提高，F(xiàn)PGA廠商在相關產(chǎn)品里先后推出了帶ARM核的FPGA，使得SoC第一次在FPGA上得以真正實現(xiàn)，SoC FPGA時代已經(jīng)來臨，F(xiàn)PGA巨頭也在不遺余力地大顯身手。
最近，賽靈思推出了將FPGA與ARM核集成的可擴展平臺“Zynq系列”。賽靈思亞太區(qū)銷售及市場總監(jiān)張宇清介紹，Zynq系列帶了760個DSP引擎，性能超過910GMAC。并且FPGA跟ARM的連接架構專門采用處理器與FPGA定制的標準架構，這一架構的優(yōu)勢體現(xiàn)在可實現(xiàn)3000個內(nèi)部互連，帶寬可達到100Gbps。他進一步指出，集成與分立的優(yōu)勢在于分立的FPGA和ARM的互連，其管腳非常有限，最多可解決1300個管腳。以前FPGA是硬件可編程，有了Zynq系列，可通過ARM實現(xiàn)軟件編程，因而Zynq系列將可廣泛應用于智能視頻監(jiān)控、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)、工控等，此領域在2014年市場總值將達127億美元。
在嵌入式系統(tǒng)上進行了多年的創(chuàng)新投入后，Altera已經(jīng)啟動了“嵌入式計劃”，其目的是建立一個基于一種FPGA設計流程方法的多家供應商、多CPU體系結構SoC FPGA平臺。今年5月，Altera、MIPS以及SLS公司聯(lián)合發(fā)布MP32內(nèi)核，成為業(yè)界第一款基于MIPS的FPGA優(yōu)化軟核處理器，目前醫(yī)療成像和通信市場的前沿企業(yè)已經(jīng)開始大批量采用MP32。隨著這一嵌入式計劃的實施，F(xiàn)PGA會因與處理器的組合帶動而進入更多的應用領域。
而美高森美SmartFusion cSoC是集成了FPGA、Cortex-M3處理器和可編程模擬資源的器件，能夠實現(xiàn)完全定制、IP保護和易用性的優(yōu)勢。在提供相較傳統(tǒng)固定功能微控制器更高的靈活性之余，更沒有在傳統(tǒng)FPGA上軟處理器內(nèi)核的高成本。
對FPGA廠商而言，進入嵌入式市場需要合作伙伴的全力支持，分銷商是關鍵的環(huán)節(jié)之一。安富利科匯中國區(qū)域總裁辜其秋就表示，我們需要為客戶提供新的參考平臺，同時需要緊密地保持和FPGA廠商的合作，確?？蛻裟軌虻谝粫r間得到最充分的技術支持和產(chǎn)品更新。
多重方法提高設計便利性
雖然FPGA的性能已越來越接近ASIC，但其設計復雜度也在線性上升，對整個開發(fā)流程以及設計方法學提出了更高的要求。辜其秋指出，以前的設計可能只有1～2個時鐘域，時鐘要求也不高，編譯時間在30分鐘左右就能夠達到時序收斂，但是現(xiàn)代的設計往往采用一些大型芯片，時鐘域或多達10個以上。這種情況下，編譯時間、時序收斂、甚至布線的成功率都會成為很大的挑戰(zhàn)。因而，F(xiàn)PGA公司不僅需要集成更強大的IP到器件中，還要提供強大的設計工具。
FPGA廠商的選擇可謂“殊途同歸”，通過收購和合作來使客戶的設計開發(fā)更快捷高效。
Altera推出新一代系統(tǒng)集成工具Qsys。在成功的SOPC Builder基礎上，Qsys實現(xiàn)了新的系統(tǒng)開發(fā)特性以及新的高性能互聯(lián)，它具有多層次設計，支持業(yè)界標準IP接口，支持高效的設計重用等優(yōu)點，這是突破性的改進。
賽靈思公司日前推出最新版 ISE 13.2設計套件，為28nm 7系列產(chǎn)品提供支持。最新版ISE軟件增強了PlanAhead設計分析工具的功能，不僅可提供部分重配置功能支持，而且其前端到后端綜合項目管理環(huán)境可提高設計效率。楊飛表示，傳統(tǒng)FPGA開發(fā)只能寫RTL代碼，收購AutoESL公司后，可以用C語言來開發(fā)FPGA，這樣可在更大范圍推動更多的工程師來開發(fā)FPGA，而不只局限于硬件工程師。也就是說，整個FPGA開發(fā)周期會變得更短，大大提升設計生產(chǎn)力。
而萊迪思的新一代設計軟件Lattice Diamond幫助用戶在三個關鍵領域做了重點的改進：設計探索、易于使用以及改善設計流程。
最近，美高森美SoC產(chǎn)品部也宣布SmartFusion cSoC器件現(xiàn)在獲得FreeRTOSTM的支持，通過FreeRTOS，產(chǎn)品開發(fā)人員獲得了更廣泛運行于SmartFusion cSoC的操作系統(tǒng)和通信協(xié)議選擇，從而加速其工業(yè)和網(wǎng)絡應用設計。
當然，設計工具離不開第三方工具商的支持。北京阿爾戴信息技術有限公司(ALDEC)總裁白一波也指出，隨著芯片設計的規(guī)模越來越大、邏輯越來越復雜，要求工程師采用比以往任何時候更高層次的設計方法來進行設計，可編程芯片的軟件設計、驗證等則需要越來越強大的第三方EDA工具的支持。
需要強調(diào)的是，在整個設計里，IP核會扮演越來越重要的角色。隨著FPGA的功能和性能越來越強，基于IP核的設計將會逐漸成為今后FPGA設計的主流。
