超越 SoC 的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

　　大多數(shù)軟、硬件工程師都很熟悉 FPGA，這點(diǎn)應(yīng)該勿庸置疑。這種熟悉不見(jiàn)得是實(shí)質(zhì)性的熟悉，而是從概念上比較了解，也就是說(shuō) FPGA 功能的快速發(fā)展和成本的不斷下降是大家都不容忽略的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，他們也認(rèn)識(shí)到這種可編程器件顯然能方便地作為各種數(shù)字電路以及邏輯處理的高靈活度、低成本的載體。

　　基本說(shuō)來(lái)，在設(shè)計(jì)方案中發(fā)揮 FPGA 的功能就是簡(jiǎn)單地映射出所需的邏輯，然后將其下載至適當(dāng)容量大小的器件中。這有些像大型處理器系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)的輔助支持工作，而且在該層面上也確實(shí)發(fā)揮著自身的支持性作用。

　　近期一些應(yīng)用開(kāi)始充分利用 FPGA 的高吞吐量和并行計(jì)算功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，不過(guò)這種工作仍屬于發(fā)揮支持性作用，而不是主要作用。例如，我們往往在設(shè)計(jì)工作后期才決定采用基于 FPGA 的 DSP 模塊，而且是將其作為主設(shè)計(jì)規(guī)劃與工藝流程的附屬部分來(lái)開(kāi)發(fā)。

　　隨著 FPGA 功能獲得長(zhǎng)足發(fā)展，我們已開(kāi)始采用能夠在可編程空間內(nèi)實(shí)施處理器、存儲(chǔ)器、高速數(shù)據(jù)處理以及外設(shè)等核心功能模塊的 SoC 設(shè)計(jì)方案。隨著FPGA器件各代工藝技術(shù)從 65 納米向先進(jìn)的 40 納米方向發(fā)展，而且門(mén)的容量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，F(xiàn)PGA 目前已開(kāi)始走向發(fā)揮主導(dǎo)作用的前臺(tái)，能夠支持真正的大型設(shè)計(jì)，達(dá)到專(zhuān)業(yè)化 ASIC 器件的實(shí)施水平。

　　從某種程度上說(shuō)，這要?dú)w功于 FPGA 廠商推動(dòng)的技術(shù)發(fā)展，拉近了 FPGA 與 ASIC 器件之間的性能與效率差距。對(duì)于大多數(shù)投入中低規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品而言，基于 FPGA 的方案顯然比 ASIC 更實(shí)際，這主要是因?yàn)楹笳叩?NRE 成本已然非常高昂，而且還在不斷升高。不過(guò)，目前高產(chǎn)量產(chǎn)品仍然主要選用 ASIC 器件。

　　發(fā)揮潛力的障礙

　　不過(guò)，如果我們簡(jiǎn)單地認(rèn)為 FPGA 就是 ASIC 設(shè)計(jì)方案的低成本與多功能備選方案的話，那么我們就會(huì)忽視 FPGA 可提供的巨大潛力。FPGA 的更高級(jí)潛力集中體現(xiàn)在 FPGA 從根本上與 ASIC 存在的技術(shù)差異性，即 FPGA 的關(guān)鍵技術(shù)組件具有強(qiáng)大的可再編程能力。要充分發(fā)揮其這一潛力需要采用不同的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng) SoC 的設(shè)計(jì)思路和 ASIC 的原有方案。

　　FPGA 型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)程反映了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，即將設(shè)計(jì)方案的各個(gè)部分(軟件、硬件及嵌入式硬件)作為彼此獨(dú)立、不相聯(lián)系的任務(wù)。這就是說(shuō)，傳統(tǒng)方案與 ASIC 開(kāi)發(fā)工作差不多，軟硬件分組等重大設(shè)計(jì)決策都是在設(shè)計(jì)周期的早期階段做出的(并在早期階段就固定了)。

　　其結(jié)果是，物理硬件(FPGA 器件與外設(shè)硬件)以及可編程硬件元素在進(jìn)行有意義的軟件開(kāi)發(fā)之前就已經(jīng)鎖定了。這些初期決策確定了后續(xù)開(kāi)發(fā)工作的參數(shù)和局限性，因而導(dǎo)致越到開(kāi)發(fā)后期設(shè)計(jì)選擇的局限性就越大。通過(guò)修改軟硬件分組、將嵌入式處理器改為硬連接處理器抑或是選擇不同的 FPGA 器件類(lèi)型等來(lái)進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整設(shè)計(jì)方案的理念是不存在的。

　　在上述基本層面進(jìn)行任何設(shè)計(jì)方案調(diào)整都必須對(duì)包括硬件、可編程硬件和軟件在內(nèi)的所有設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行大量重新設(shè)計(jì)，這對(duì)設(shè)計(jì)工作造成的沖擊是極其巨大的，因此我們必須不惜一切代價(jià)避免這種設(shè)計(jì)巨變。簡(jiǎn)而言之，只能在可編程硬件的限制框架內(nèi)創(chuàng)建軟件，而可編程硬件則又相應(yīng)局限于固定的物理硬件。

　　在當(dāng)今設(shè)計(jì)中，軟件定義著產(chǎn)品的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與競(jìng)爭(zhēng)元素(功能性與最終用戶體驗(yàn))，因此傳統(tǒng)的 SoC 設(shè)計(jì)方案會(huì)人為地制造軟件開(kāi)發(fā)的局限性，影響設(shè)計(jì)最具價(jià)值的成分。對(duì)基于 FPGA 的設(shè)計(jì)而言，產(chǎn)品最核心的資產(chǎn)當(dāng)屬應(yīng)用軟件和嵌入式 FPGA 硬件所決定的“軟”屬性。