《電子技術(shù)應(yīng)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(yīng)用2011年第11期
關(guān)鍵詞: FPGA CPU SOC

    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(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(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5 000萬~6 000萬美元,,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(chǎng)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(huì)帶領(lǐng)某一個(gè)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(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(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的開發(fā)工具相對(duì)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(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(shì),,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(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,,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(huì)用上FPGA 。”
 

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