SoC FPGA上的策略考慮

引言

　　集成了 FPGA 架構(gòu)、硬核 CPU 子系統(tǒng)以及其他硬核 IP 的半導(dǎo)體器件 SoC FPGA 已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)“關(guān)鍵點(diǎn)”，它在今后十年中會(huì)得到廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更多的選擇。對(duì)于在 FPGA 上開發(fā)的系統(tǒng)，這些 SoC FPGA 完善了十多年以來的軟核 CPU 以及其他軟核 IP。各種技術(shù)、商業(yè)和市場(chǎng)因素相結(jié)合推動(dòng)了這一關(guān)鍵點(diǎn)的出現(xiàn)，Altera、Cypress ®半導(dǎo)體、Intel ®和 Xilinx ®公司等供應(yīng)商都發(fā)布或者開始發(fā)售 SoC FPGA 器件。

　　這一關(guān)鍵點(diǎn)的主要推動(dòng)因素包括：

　　過渡到并行和多核處理，以提高功效。

　　FPGA成為前沿的新半導(dǎo)體工藝技術(shù)

　　嵌入式系統(tǒng)中越來越多的使用了FPGA

　　摩爾定律的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)

　　CPU在體系結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)

　　隨著SoC FPGA時(shí)代的來臨，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇這些器件時(shí)需要考慮以下關(guān)鍵策略問題：

　　哪些器件會(huì)經(jīng)歷“平臺(tái)效應(yīng)”，使得供應(yīng)商、輔助支撐系統(tǒng)以及用戶之間出現(xiàn) “自我增強(qiáng)循環(huán)”?

　　哪些器件能夠在多種選擇中支持IP重用?

　　哪些FPGA技術(shù)能夠最大限度的降低成本，提高性能 ?

　　SoC FPGA 的關(guān)鍵點(diǎn)

　　業(yè)界集成FPGA和CPU系統(tǒng)在第一個(gè)十年發(fā)展中既有成功也有失敗。最初的SoC FPGA在商業(yè)上并不是很成功 (2)，而 FPGA 中的軟核 CPU 得到了廣泛應(yīng)用 (3)，這表明市場(chǎng)對(duì)FPGA和CPU技術(shù)集成有基本的需求。各種新的因素改變了業(yè)界環(huán)境，導(dǎo)致關(guān)鍵點(diǎn)的出現(xiàn)，SoC FPGA將在市場(chǎng)上獲得非常廣泛的應(yīng)用。

　　推動(dòng)業(yè)界這一關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)的關(guān)鍵因素包括：

　　計(jì)算功效

　　FPGA 過渡到前沿工藝技術(shù)

　　FPGA 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摩爾定律的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)

　　CPU 在體系結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)

　　計(jì)算功效

　　計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)是并行處理，近期集中在處理器從高成本的單核處理發(fā)展到多核實(shí)現(xiàn)上 (4)。在提高計(jì)算性能的同時(shí)降低功耗，這促使人們采用 FPGA邏輯作為CPU的硬件加速器。(5)

　　一個(gè) SoC FPGA 系統(tǒng)提高了功效，實(shí)現(xiàn)了靈活的軟件劃分。SoC FPGA 支持?jǐn)?shù)百路數(shù)據(jù)信號(hào)連接不同的功能區(qū)，實(shí)現(xiàn)每秒100-gigabits (Gbps) 帶寬，甚至更大的帶寬，其延時(shí)在納秒級(jí)，性能和延時(shí)比分立器件要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，單個(gè)集成平臺(tái)支持存儲(chǔ)器控制器的共享，寬帶存儲(chǔ)器可以訪問硬件加速器。

　　性能的提高以及存儲(chǔ)器訪問功能支持采用 FPGA來實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的加速器，以滿足各種各樣的計(jì)算要求。由于硬件加速器在功效上要比 CPU 高 1，000 多倍，因此，與簡(jiǎn)單的多核并行方法相比，采用 SoC FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高功效計(jì)算較好的方法。

　　FPGA過渡到前沿工藝技術(shù)

　　在 2000 年，最新的 FPGA 采用了 130-nm 工藝技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，而目前的 CPU 采用的是90-nm 工藝技術(shù)。由于有更高級(jí)的 CPU，因此，第一代 SoC FPGA 的推出有些滯后。然而，當(dāng)今的前沿FPGA采用28-nm工藝技術(shù)，相對(duì)而言只有很少的商用 CPU或者ASSP使用了這一工藝技術(shù)，當(dāng)然在今后有可能使用該技術(shù)。FPGA在工藝技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)明顯增強(qiáng)了這些集成器件的市場(chǎng)潛力，供應(yīng)商也傾向于在這方面加大投入，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不需要在 CPU性能上作出犧牲，如圖1 所示。

　　圖 1.FPGA 過渡到前沿工藝技術(shù)