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(lái)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(guò)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(duì)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(chǎng)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(wú)限可能,。Intel于2010年11月發(fā)布的凌動(dòng)E600 C系列,，即原研發(fā)代號(hào)為“Stellarton”的可配置凌動(dòng)處理器，把凌動(dòng)E600處理器和Altera的FPGA集成到一個(gè)多芯片封裝之中,，開(kāi)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(guò)長(zhǎng),，特別是研發(fā)制造費(fèi)用劇增等難題。據(jù)了解,，做一個(gè)28 nm ASIC芯片所需的研發(fā)費(fèi)需要5 000萬(wàn)～6 000萬(wàn)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(xiāo)售及市場(chǎng)總監(jiān)張宇清先生所說(shuō)：“10年前,，半導(dǎo)體領(lǐng)域比較領(lǐng)先的是CPU廠商,，他們會(huì)帶領(lǐng)某一個(gè)工藝向前跨步。現(xiàn)在FPGA廠商已經(jīng)跑到了前面,。從40 nm開(kāi)始有這個(gè)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(wú)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(méi)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(guò)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(huì)選擇ARM,？處理器廠商是否會(huì)在下一代處理器中嵌入FPGA？Altera公司產(chǎn)品及企業(yè)市場(chǎng)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(huì)授權(quán)IP（當(dāng)然,，如果某一天Achronix宣布把其FPGA的IP開(kāi)放給Intel,，想必業(yè)內(nèi)一定不會(huì)奇怪。）,；第二是工具,，針對(duì)FPGA的開(kāi)發(fā)工具相對(duì)復(fù)雜，不是一時(shí)可以開(kāi)發(fā)出來(lái),。
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(gè)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(chǔ)應(yīng)用,，甚至連價(jià)格都定在批量15美元,，并且都宣稱(chēng)最大的對(duì)手是Intel等處理器廠商,。
面對(duì)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(zhēng)斗,，工程師確實(shí)享受到了技術(shù)進(jìn)步的樂(lè)趣。上海晶奧信息科技有限公司技術(shù)經(jīng)理吳厚航說(shuō)：“單片集成了CPU的FPGA單從硬件架構(gòu)層面來(lái)看,，好像沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì),，僅僅只是二合一而已。但是真正做過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程師都知道,，這種二合一所帶來(lái)的不僅僅是BOM成本降低和布局的簡(jiǎn)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(wú)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(duì)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(duì)于未來(lái),，F(xiàn)PGA廠商信心滿(mǎn)滿(mǎn),。Vince Hu說(shuō)：“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(lái)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(guò)35%的FPGA項(xiàng)目利用了其N(xiāo)ios軟核,。未來(lái)兩三年中，預(yù)期超過(guò)50%嵌入式系統(tǒng)里面會(huì)用上FPGA ,。”