“FPGA+CPU” 并行處理大行其道

深亞微米時代，傳統(tǒng)材料、結(jié)構(gòu)乃至工藝都在趨于極限狀態(tài)，摩爾定律也已有些捉襟見肘。而步入深亞納米時代，晶體管的尺寸就將接近單個原子，無法再往下縮減。傳統(tǒng)ASIC和ASSP設(shè)計不可避免地遭遇了諸如設(shè)計流程復(fù)雜、生產(chǎn)良率降低、設(shè)計周期過長，研發(fā)制造費用劇增等難題，從某種程度上大大放緩了摩爾定律的延續(xù)。

顯而易見的是，在巨額的流片成本面前，很多中小規(guī)模公司不得不改變策略，更多的轉(zhuǎn)向FPGA的開發(fā)和設(shè)計。反觀FPGA市場，即便是5年前，其相對于ASIC的市場增速還是相當(dāng)遲緩的，但在近些年，尤其是邁進90nm節(jié)點之后，其成本優(yōu)勢逐漸凸顯。

二十年如一日，長期霸占著可編程邏輯器件市場的兩大巨頭Xilinx和Altera依然動作頻頻。8月的Altera研討會，13個城市的技術(shù)巡演，大張旗鼓地力推28nm工藝上的V系產(chǎn)品、SOPC Builder到Qsys新平臺的更迭乃至SOC FPGA的新構(gòu)想。相比之下，9月的Xilinx則低調(diào)許多，但依然拿出了7系列產(chǎn)品與對手叫板。從一年前的65nm到今天的28nm，由于門延時早已不再是速度性能提升的瓶頸，因此用戶能夠感受到的變化只是器件密度的提高和單位成本的下降。除此以外，只能說廠商絞盡腦汁的優(yōu)化器件架構(gòu)和改善開發(fā)工具性能成為了另一道可供觀賞的風(fēng)景線。 　　無獨有偶，Xilinx和Altera都紛紛加速推出了內(nèi)嵌硬核CPU的FPGA器件。FPGA+CPU的解決方案并不稀奇，早在五年前就被提出并付諸實踐，Xilinx和Altera也一直在致力于自己的軟核CPU的推進，但市場反應(yīng)顯然沒有達到預(yù)期。Xilinx順應(yīng)市場需求，率先于去年4月發(fā)布了集成ARM Cortex-A9 CPU和28nm FPGA的可擴展式處理平臺(Extensible Processing Platform)架構(gòu)。時隔不到一年，可擴展處理平臺Zynq-7000系列又被搬上了前臺，Xilinx的用心良苦可見一斑。Altera也不示弱，英特爾在去年秋季發(fā)布的凌動E600C可配置處理器中就集成了Altera的FPGA，并且Altera即將推出的同樣集成Cortex-A9 CPU的SoC FPGA明顯是要與Xilinx唱對臺戲。

對于我們而言，更多的是需要去探討和思索這種新的開發(fā)平臺是否真的滿足客戶日益增長的“物質(zhì)文化”需求。我們也不禁會問：FPGA+CPU的集成架構(gòu)到底是順應(yīng)了歷史發(fā)展的趨勢，還是僅僅曇花一現(xiàn)轉(zhuǎn)眼即逝? 　　如圖1所示，一個比較簡化的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)如左圖所示，單片集成了CPU的FPGA架構(gòu)則如右圖所示。單從硬件架構(gòu)層面來看，好像沒有太大的優(yōu)勢，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化，更多的利好是我們?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。

圖1

基于FPGA的CPU集成將帶來的一些潛在優(yōu)勢包括：更易于滿足大多數(shù)系統(tǒng)的功能性需求;潛在的改善了系統(tǒng)的性能;在某些應(yīng)用中的靈活性和可升級性大大提高;處理器到外設(shè)的接口能夠得到優(yōu)化;軟硬件互聯(lián)的接口性能獲得極大的提升;有利于設(shè)計的重用和新設(shè)計的快速成型;簡化單芯片甚至整板的PCB布局布線。

FPGA+CPU的單片集成相較于傳統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢由此可見一斑，但從另一個角度看，正如CPU從單核到多核演進在延續(xù)著摩爾定律的“魔咒”，F(xiàn)PGA+CPU的強勢出擊更像是并行處理在嵌入式應(yīng)用中的大行其道。

延續(xù)一貫的作風(fēng)，Xilinx和Altera在其嵌入CPU的FPGA器件上都不約而同地選擇了性能出色的ARM Cortex-A9內(nèi)核，可見他們目前瞄準(zhǔn)的市場趨向于中高端應(yīng)用客戶。而在低端應(yīng)用方面，即便是網(wǎng)絡(luò)爆炸的時代，默默無聞的Capital-Micro公司依然不為廣大工程師們所熟知，但他們開發(fā)的可重構(gòu)系統(tǒng)芯片CsoC(Configurable SoC)卻悄然無聲地在中低端市場應(yīng)用中殺出了一片血路。值得一提的是，這是一家地地道道的中國本土FPGA廠商。

從1971年Intel的第一片4位處理器問世至今恰好已有40個年頭，雖然嵌入式行業(yè)經(jīng)歷了翻天覆地的巨變，但即便你認為它是“土得掉牙”卻簡單實用的8位MCS-51單片機卻依然獨樹一幟，尤其是在國內(nèi)的整個工控行業(yè)中還是有著很強的生命力。從05年成立至今，Capital-Micro先后推出了Astro和AstroII兩代CSoC。其內(nèi)嵌的8051在兩代器件上分別可以穩(wěn)定地運行到100MHz和150MHz。雖然由于FPGA制造工藝還處于0.13um，大大制約了邏輯性能，但目前的這兩代產(chǎn)品至少可以滿足包括步進電機控制、LCD驅(qū)動控制、接口擴展、LED控制卡、微型打印機在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用需求。

從器件的內(nèi)部架構(gòu)上來看，如圖2所示，AstroII中不僅有同類產(chǎn)品中堪稱性能“卓越”的8051硬核，也集成了一些常見的外設(shè)如定時器、看門狗、UART、IIC和SPI等。當(dāng)然，8051的程序啟動也完全采取了類似很多ARM的直接映射(Fully Shadowed)方式，確保讀寫緩慢的ROM不再成為制約CPU性能的瓶頸。而8051與FPGA的互聯(lián)方面，不僅可以使用8051的EMIF尋址(23位寬可尋址地址總線)，4K×8bit的DPRAM也是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟诲e選擇，并且在這些互聯(lián)接口上都已經(jīng)固化好了同步邏輯，無需設(shè)計者浪費精力。此外，從最廉價的晶體時鐘支持，到I/O數(shù)量的最大化，再到其平易近人的價格，無不向我們展示著這款國產(chǎn)芯片的“經(jīng)濟適用”。

圖2

總而言之，無論是Xilinx還是Altera，抑或是橫空出世的Capital-Micro，他們所力推的全新單片集成器件，無不預(yù)示著FPGA+CPU的并行處理架構(gòu)將在嵌入式應(yīng)用中開辟出一片嶄新的天地，在這個單片性能提升即將邁入極限的深亞納米時代，靈活多變的FPGA憑借其獨有的并行性必將助力傳統(tǒng)CPU的性能再次邁向新的高度。