當(dāng)FPGA越來(lái)越像SoC，F(xiàn)PGA跟ASIC還有啥區(qū)別

　　隨著處理器被添加到傳統(tǒng)FPGA中，可編程性被添加到ASIC中，FPGA和ASIC的分界線日益模糊。

　　FPGA變得比之前更加流行了?，F(xiàn)在的FPGA不再只是查找表(LUT)和寄存器的簡(jiǎn)單組合了，它已經(jīng)成為系統(tǒng)探索的架構(gòu)，以及驗(yàn)證未來(lái)ASIC設(shè)計(jì)架構(gòu)的橋梁。

　　從基本的可編程邏輯器件到復(fù)雜的SoC器件，當(dāng)今的FPGA家族陣營(yíng)極其龐大。在包括汽車(chē)和其它應(yīng)用的AI、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、航空航天、國(guó)防和工業(yè)自動(dòng)化等各種應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)PGA使得芯片制造商可以在必要時(shí)以更新的方式部署實(shí)施系統(tǒng)。在這種標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和最佳實(shí)現(xiàn)仍然在探索中，而且要求具備成本競(jìng)爭(zhēng)力的新興市場(chǎng)中，F(xiàn)PGA的靈活性至關(guān)重要。

　　這就是賽靈思決定在其ZynqFPGA中添加ARM內(nèi)核以創(chuàng)建FPGASoC的原因所在，Aldec市場(chǎng)總監(jiān)LouiedeLuna表示?！白钪匾氖?，供應(yīng)商已經(jīng)改進(jìn)了工具流程嗎，這使得人們對(duì)Zynq產(chǎn)生了很大的興趣。他們的SDSoC開(kāi)發(fā)環(huán)境看起來(lái)很像C語(yǔ)言，對(duì)開(kāi)發(fā)人員很友好，因?yàn)閼?yīng)用程序通常是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。他們將軟件功能放到開(kāi)發(fā)環(huán)境中，允許用戶(hù)將這些功能分配到具體的硬件上?！?/p>

　　其中有些FPGA不只是像SoC，他們本身就是SoC。

　　“他們可能包含多個(gè)嵌入式處理器、專(zhuān)用計(jì)算引擎、復(fù)雜接口以及大容量存儲(chǔ)器等，”O(jiān)neSpinSolutions綜合驗(yàn)證產(chǎn)品專(zhuān)家MuhammadKhan說(shuō)?！跋到y(tǒng)架構(gòu)師規(guī)劃并使用FPGA的可用資源，就像他們?cè)贏SIC上所做的那樣。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用綜合工具將他們的SystemVerilog、VHDL或SystemCRTL代碼映射到基礎(chǔ)邏輯元素中。對(duì)于大部分設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)FPGA或ASIC或全定制芯片的設(shè)計(jì)差異正在減少?！?/p>

　　ArterisIP首席技術(shù)官TyGaribay非常熟悉這一演變?！百愳`思2010年開(kāi)始在Zynq上實(shí)踐這種路線，他們定義了一款產(chǎn)品，把ARMSoC的硬宏納入到了當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的FPGA中，”他說(shuō)。“然后，Altera招募了我做基本上同樣的事情。它的價(jià)值主張?jiān)谟谠S多客戶(hù)都想要SoC子系統(tǒng)，但是SoC的特性尤其是處理器那部分并不適合綜合到FPGA中。將這種級(jí)別的功能嵌入到實(shí)際的可編程邏輯中令人望而卻步，因?yàn)樗鼛缀跤帽M了整個(gè)FPGA的資源。但是它可以作為整個(gè)FPGA芯片的一小部分或一小部分，作為一個(gè)硬性的功能而存在。雖然你沒(méi)有為SoC提供真正可重構(gòu)邏輯的能力，但是它們可以通過(guò)軟件編程，以這種方式改變功能?！?/p>

　　“這意味著，這種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)具備軟件可編程功能、硬宏和硬件可編程功能，他們可以一起工作，”他說(shuō)?！斑@類(lèi)期間有一些相當(dāng)理想的目標(biāo)市場(chǎng)，尤其是在低成本的汽車(chē)控制領(lǐng)域，在這種系統(tǒng)中一般都會(huì)以中等性能的微控制器搭配FPGA，現(xiàn)在客戶(hù)會(huì)說(shuō)，‘我現(xiàn)在可以將整個(gè)功能放到FPGA芯片的硬宏上，以減少電路板空間，減少BOM并降低功耗?！?/p>

　　這也符合過(guò)去30年FPGA的發(fā)展趨勢(shì)。最初的FPGA只是可編程結(jié)構(gòu)和一組I/O。隨著時(shí)間的推移，內(nèi)存控制器、SerDes、RAM、DSP和HBM控制器都慢慢地被硬化了。

　　Garibay說(shuō)：“FPGA供應(yīng)商一直在繼續(xù)增加芯片面積，同時(shí)也在繼續(xù)增加越來(lái)越多的硬邏輯，這些邏輯被相當(dāng)大比例的客戶(hù)群普遍使用?，F(xiàn)在，這些硬邏輯轉(zhuǎn)變成軟件可編程器件。在ARMSoC之前添加的大多數(shù)東西都是不同形式的硬件，主要與I/O有關(guān)，但也包括DSP，DSP有足夠的應(yīng)用計(jì)劃，因此，通過(guò)將DSP硬化，可以節(jié)省可編程邏輯門(mén)?！?/p>

　　市場(chǎng)可能性

　　這種方式基本上已經(jīng)把FPGA變成了具有多種可能性的瑞士軍刀。

　　“如果你往回看，F(xiàn)PGA只是一堆LUT和寄存器，而不是門(mén)，”NetSpeedSystems市場(chǎng)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁AnushMohandass說(shuō)?！斑@里有一個(gè)典型問(wèn)題。如果您將任何通用器件和專(zhuān)用器件進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，通用計(jì)算可以提供更大的靈活性，而專(zhuān)用計(jì)算可以提供性能或效率優(yōu)勢(shì)。賽靈思和Altera一直試圖越來(lái)越多地融合通用計(jì)算和專(zhuān)用計(jì)算，他們注意到，幾乎每個(gè)FPGA客戶(hù)都擁有DSP和某種形式的計(jì)算。所以他們?cè)贔PGA里面加入了ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核，還加入了所有不同的PHY和常用模塊，他們把這些東西硬化了，使得效率更高，并且性能曲線變得更好。”

　　這些新功能為FPGA在各種新興市場(chǎng)和現(xiàn)有市場(chǎng)中發(fā)揮重要作用打開(kāi)了大門(mén)。

　　“從市場(chǎng)角度來(lái)看，您可以看到FPGA肯定會(huì)進(jìn)入SoC市場(chǎng)，”Synopsys的高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)PiyushSancheti表示?！笆亲鲆粋€(gè)FPGA還是做一款成熟的ASIC牽扯到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。它們的界限開(kāi)始變得模糊不清，我們看到越來(lái)越多的公司-特別是在某些市場(chǎng)上-正在在量產(chǎn)階段使用成本更低的FPGA。”

　　從歷史上看，F(xiàn)PGA主要用于原型階段，在生產(chǎn)用途而言，它僅限于航空航天、國(guó)防和通信基礎(chǔ)設(shè)施等市場(chǎng)，Sancheti說(shuō)。“現(xiàn)在市場(chǎng)正在擴(kuò)展到汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備。”

　　AI：一個(gè)蓬勃發(fā)展的FPGA市場(chǎng)

　　一些系統(tǒng)供應(yīng)商/OEM采用FPGA，希望優(yōu)化其IP或AI/ML算法性能。

　　NetSpeed的Mohandass表示：”他們想要打造自己的芯片，對(duì)其中很多人來(lái)說(shuō)，做ASIC可能有點(diǎn)嚇人。他們也可能不想花費(fèi)3000萬(wàn)美元的晶圓成本來(lái)獲得芯片。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA是一個(gè)有效的切入點(diǎn)，他們擁有獨(dú)特的算法、自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們想要工程化，看看它是否能夠提供他們所期望的性能。”

　　西門(mén)子子公司Mentor的CatapultHLS綜合與驗(yàn)證高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理StuartClubb表示，目前AI應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)是量化。“需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)?我如何建立這個(gè)網(wǎng)絡(luò)?什么樣的內(nèi)存架構(gòu)?即便你只有幾層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)你獲得很多采用若干系數(shù)的數(shù)據(jù)之后，很快就會(huì)轉(zhuǎn)化成為數(shù)百萬(wàn)個(gè)系數(shù)，存儲(chǔ)帶寬也會(huì)變得非?？植?。沒(méi)有人真正知道正確的架構(gòu)是什么。如果你不知道答案，你肯定不會(huì)直接上來(lái)就設(shè)計(jì)一個(gè)ASIC。”

　　在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，最常見(jiàn)的問(wèn)題是密碼標(biāo)準(zhǔn)似乎一直在變化。Mohandass表示：“與其嘗試構(gòu)建一顆ASIC，不如將密碼引擎放在FPGA中設(shè)計(jì)?！盎蛘撸绻谌蚓W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行任何類(lèi)型的數(shù)據(jù)包處理，F(xiàn)PGA仍然能夠?yàn)槟峁└嗟撵`活性和更多的可編程性。這就是靈活性的用武之地，他們也已經(jīng)利用了這種靈活性。你可以稱(chēng)之為異構(gòu)計(jì)算，它看起來(lái)仍然像一個(gè)SoC。”