深亞微米時(shí)代，處理器和FPGA跟隨摩爾定律沿著各自的路徑向前發(fā)展，少有交集。處理器不斷加強(qiáng)運(yùn)算能力，并充分利用新增加的并且越來越小的晶體管不斷完善外圍功能，走上單片集成的道路。FPGA則通過工藝技術(shù)的進(jìn)步增大自身容量降低功耗，把預(yù)處理運(yùn)算、接口電路等吸收進(jìn)了FPGA。
對于既需要處理能力又需要靈活性的系統(tǒng)，CPU+FPGA這樣的解決方案早年前就被提出并付諸實(shí)踐，如今比比皆是。雖然近幾年Xilinx和Altera也一直致力于推進(jìn)自己的軟核Nios和MicroBlaze，而且Xilinx在其Virtex系列產(chǎn)品中嵌入了PowerPC硬核,但市場反應(yīng)都不太強(qiáng)烈。
摩爾定律持續(xù)有效，半導(dǎo)體工藝技術(shù)步入深亞納米時(shí)代，為處理器和FPGA的融合提供了無限可能。Intel于2010年11月發(fā)布的凌動E600 C系列，即原研發(fā)代號為“Stellarton”的可配置凌動處理器，把凌動E600處理器和Altera的FPGA集成到一個多芯片封裝之中，開啟了處理器和FPGA融合的新時(shí)代。
隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，從65 nm、40 nm進(jìn)入28 nm，ASIC和ASSP廠商遭遇了設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、良率降低、設(shè)計(jì)周期過長，特別是研發(fā)制造費(fèi)用劇增等難題。據(jù)了解，做一個28 nm ASIC芯片所需的研發(fā)費(fèi)需要5 000萬～6 000萬美元，比40 nm時(shí)的研發(fā)費(fèi)用增加了40%。正如賽靈思亞太區(qū)銷售及市場總監(jiān)張宇清先生所說：“10年前，半導(dǎo)體領(lǐng)域比較領(lǐng)先的是CPU廠商，他們會帶領(lǐng)某一個工藝向前跨步?，F(xiàn)在FPGA廠商已經(jīng)跑到了前面。從40 nm開始有這個端倪，在28 nm，我們的代工廠發(fā)現(xiàn)FPGA廠商最先采用這些先進(jìn)工藝。”這些都為FPGA廠商在成功立足通信領(lǐng)域后瞄準(zhǔn)嵌入式領(lǐng)域的新藍(lán)海提供了無限可能。
在28 nm工藝節(jié)點(diǎn)，Altera和Xilinx都不約而同地在其新產(chǎn)品中集成雙核ARM Cortex-A9處理器。此集成與Intel E600集成Altera FPGA從硬件架構(gòu)層面沒有太大不同，但實(shí)質(zhì)相去甚遠(yuǎn)。Intel是把CPU的裸片和FPGA的裸片封裝在一起，給穿了層塑料外衣。FPGA廠商則是在FPGA中嵌入處理器，F(xiàn)PGA與處理器之間通過AXI總線互聯(lián)，最高可達(dá)125 b/s的互聯(lián)帶寬。
為什么FPGA廠商都會選擇ARM？處理器廠商是否會在下一代處理器中嵌入FPGA？Altera公司產(chǎn)品及企業(yè)市場副總裁Vince Hu先生告訴筆者，在FPGA中嵌入處理器遠(yuǎn)比在處理器中嵌入FPGA容易，第一是ARM的授權(quán)IP模式提供了處理器的授權(quán)，F(xiàn)PGA廠商不會授權(quán)IP（當(dāng)然，如果某一天Achronix宣布把其FPGA的IP開放給Intel，想必業(yè)內(nèi)一定不會奇怪。）；第二是工具，針對FPGA的開發(fā)工具相對復(fù)雜，不是一時(shí)可以開發(fā)出來。
FPGA兩巨頭都瞄向了嵌入式處理器領(lǐng)域，卻采用了不同的策略。Altera是在其久負(fù)盛名的Cyclone V和Arria V系列下增加了SoC FPGA；Xilinx干脆創(chuàng)立一個新的產(chǎn)品系列Zynq。雖然產(chǎn)品略有不同，宣傳策略大有不同，但關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域卻都在能源和工業(yè)、高清晰視頻處理、通信基礎(chǔ)設(shè)施和計(jì)算機(jī)和存儲應(yīng)用，甚至連價(jià)格都定在批量15美元，并且都宣稱最大的對手是Intel等處理器廠商。
面對Xilinx的嵌入式處理器Zynq系列，Altera的Vince Hu列出了互聯(lián)帶寬、工藝模式等幾大不同。不管兩家如何爭斗，工程師確實(shí)享受到了技術(shù)進(jìn)步的樂趣。上海晶奧信息科技有限公司技術(shù)經(jīng)理吳厚航說：“單片集成了CPU的FPGA單從硬件架構(gòu)層面來看，好像沒有太大的優(yōu)勢，僅僅只是二合一而已。但是真正做過系統(tǒng)開發(fā)的工程師都知道，這種二合一所帶來的不僅僅是BOM成本降低和布局的簡化，更多的改變是我們?nèi)庋劭床坏降能浻布讓鱼暯拥膬?yōu)化和無形之中的靈活性以及潛在的性能提升。”
以Altera最新發(fā)布的SoC FPGA為例，它提高了系統(tǒng)性能，4 000 DMIPS時(shí)功耗不到1.8 W，高達(dá)1 600 GMACS、300 GFLOPS的DSP；降低了功耗，相對兩芯片解決方案，功耗降低了30%；減小了電路板面積，外形封裝減小了55%，只有兩種電源；降低了元件成本、PCB復(fù)雜度和成本從而大大降低系統(tǒng)成本。
對于未來，F(xiàn)PGA廠商信心滿滿。Vince Hu說：“在嵌入式調(diào)查里發(fā)現(xiàn)接近45%的嵌入式設(shè)計(jì)人員，計(jì)劃在下一代的嵌入式設(shè)計(jì)里面使用FPGA來實(shí)現(xiàn)其可編程的功能。還有就是Altera的FPGA付運(yùn)記錄里面發(fā)現(xiàn)超過35%的FPGA項(xiàng)目利用了其Nios軟核。未來兩三年中，預(yù)期超過50%嵌入式系統(tǒng)里面會用上FPGA 。”