《電子技術(shù)應用》
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FPGA+CPU:下一代嵌入式系統(tǒng)

2011-12-27
作者:木 易
來源:來源:電子技術(shù)應用2011年第11期
關(guān)鍵詞: FPGA CPU SOC

    深亞微米時代,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。處理器不斷加強運算能力,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)的進步增大自身容量降低功耗,把預處理運算、接口電路等吸收進了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踐,如今比比皆是。雖然近幾年Xilinx和Altera也一直致力于推進自己的軟核Nios和MicroBlaze,而且Xilinx在其Virtex系列產(chǎn)品中嵌入了PowerPC硬核,但市場反應都不太強烈。

    摩爾定律持續(xù)有效,半導體工藝技術(shù)步入深亞納米時代,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融合的新時代。

    隨著工藝技術(shù)的不斷進步,從65 nm、40 nm進入28 nm,ASIC和ASSP廠商遭遇了設(shè)計流程復雜、良率降低、設(shè)計周期過長,特別是研發(fā)制造費用劇增等難題。據(jù)了解,做一個28 nm ASIC芯片所需的研發(fā)費需要5 000萬~6 000萬美元,比40 nm時的研發(fā)費用增加了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。現(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工藝。”這些都為FPGA廠商在成功立足通信領(lǐng)域后瞄準嵌入式領(lǐng)域的新藍海提供了無限可能。

    在28 nm工藝節(jié)點,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,但實質(zhì)相去甚遠。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)工具相對復雜,不是一時可以開發(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)施和計算機和存儲應用,甚至連價格都定在批量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,工程師確實享受到了技術(shù)進步的樂趣。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時功耗不到1.8 W,高達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)計人員,計劃在下一代的嵌入式設(shè)計里面使用FPGA來實現(xiàn)其可編程的功能。還有就是Altera的FPGA付運記錄里面發(fā)現(xiàn)超過35%的FPGA項目利用了其Nios軟核。未來兩三年中,預期超過50%嵌入式系統(tǒng)里面會用上FPGA 。”
 

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