硅片融合時(shí)代的FPGA

從1980年代中期問世以來，F(xiàn)PGA技術(shù)持續(xù)發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷拓展。近日，Altera公司資深副總裁兼首席技術(shù)官M(fèi)isha Burich先生來京，介紹了FPGA體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)及Altera公司FPGA的進(jìn)展情況。

1990年代，具有50K 以上邏輯單元(LE)的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件面世，片上僅集成RAM，開始用來替代膠合邏輯(連接復(fù)雜邏輯電路的簡(jiǎn)單邏輯電路的器件)。到2000年代，現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的容量達(dá)到500K邏輯單元以上，片上集成了DSP、收發(fā)器和ALM等功能單元，開始用來替代ASIC、DSP、ASSP等集成電路，應(yīng)用領(lǐng)域包括通信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、測(cè)試測(cè)量和醫(yī)療。到2010年代，現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的規(guī)模達(dá)到1M邏輯門以上，集成了更多的功能組件，如處理器硬核，可用來替代微處理器，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到高性能計(jì)算、存儲(chǔ)、、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和汽車電子。

圖1：FPGA內(nèi)不斷融合新的功能組件

可編程器件與傳統(tǒng)ASIC相比的優(yōu)勢(shì)隨著半導(dǎo)體工業(yè)的演進(jìn)而不斷擴(kuò)大。在2005年，F(xiàn)PGA所采用的工藝節(jié)點(diǎn)開始超過ASIC。關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在2008年，這時(shí)FPGA開始采用40nm工藝，而ASIC仍停留在130nm。40nm的Stratix IV FPGA的管芯面積與130nm的ASIC相當(dāng)，成本相當(dāng)，但FPGA具有更高的靈活性，因而在某些領(lǐng)域中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖2：FPGA相對(duì)于特定應(yīng)用芯片以及具備工藝節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

FPGA是介于通用處理器與特定應(yīng)用芯片之間的一種器件。通用處理器為軟件可編程，非常靈活，但功效較低。ASSP和ASIC具有很高的功效，但不靈活。如圖所示，專用硬件的效率可達(dá)到通用處理器的100倍。FPGA則是硬件可編程，非常靈活，具有較好的效率。

圖3：FPGA的功效與靈活性介于通用處理器與定制芯片之間

圖4：效率與靈活性的沖突

硅片融合在FPGA領(lǐng)域體現(xiàn)為“混合系統(tǒng)架構(gòu)”的出現(xiàn)。微處理器+ DSP + 專用IP + 可編程架構(gòu)把各種技術(shù)的長(zhǎng)處都集中到了一起。這種以FPGA為粘合劑的混合系統(tǒng)架構(gòu)有一些新出現(xiàn)的應(yīng)用。以適用于高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)的SoCFPGA為例，隨著FPGA使用的增加，系統(tǒng)成本和功耗在降低。

圖5：FPGA融合處理器與ASSP，兼顧效率與靈活性

圖6：采用混合系統(tǒng)架構(gòu)的FPGA降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性

硅片融合和性能的提高使其有可能在這十年里得以前所未有的速度迅速發(fā)展。FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)，而在新應(yīng)用領(lǐng)域有更大的增長(zhǎng)。Burich 先生說，3D封裝和OpenCL是關(guān)鍵支撐技術(shù)。OpenCL(開放運(yùn)算語言)是第一個(gè)面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，為開發(fā)混合系統(tǒng)架構(gòu)提供了方便。3D封裝可將異構(gòu)系統(tǒng)集成到一個(gè)封裝中，以便提高系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)功耗、減小封裝尺寸并降低系統(tǒng)成本。FPGA領(lǐng)域的3 D封裝目前實(shí)際上處于2.5D，即在提供互聯(lián)的基片上疊加功能組件。