FPGA邁向通用平臺(tái)之路？

近來(lái)對(duì)于電子行業(yè)的評(píng)論不再像幾年前那么樂(lè)觀了，通信領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域這兩大驅(qū)動(dòng)力市場(chǎng)的表現(xiàn)不盡如意，市場(chǎng)份額龐大但卻競(jìng)爭(zhēng)慘烈，利潤(rùn)走低?！罢雇麄€(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)，惟有FPGA是黑暗中的亮點(diǎn)?！贝嗽捳f(shuō)得有些夸張，半導(dǎo)體市場(chǎng)的黑暗期遠(yuǎn)不是如此，現(xiàn)在的情形充其量只是低迷。不過(guò)這句話確也有些道理，因?yàn)檫@兩年以來(lái)，我們可以明顯地看到，FPGA一直穩(wěn)步地遵循著摩爾定律，價(jià)格和功耗在不斷降低的同時(shí)性能卻越來(lái)越高。
FPGA擁有靈活的可編程特性和強(qiáng)大的并行處理能力，但是相應(yīng)地，體積龐大價(jià)格昂貴也是其軟肋。不過(guò)現(xiàn)在我們?cè)僮屑?xì)看看Xilinx、Altera等FPGA廠商的產(chǎn)品線以及他們的客戶列表，我們不難發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA已經(jīng)由原來(lái)的電信等領(lǐng)域開(kāi)始逐漸向HDTV、消費(fèi)電子（高端）、醫(yī)療電子……更廣泛的領(lǐng)域滲透了。這是不是說(shuō)哪里都可以找到FPGA的蹤影了？在記者與這些FPGA廠商接觸當(dāng)中，他們的人肯定了記者的這種感覺(jué)。FPGA今后的發(fā)展方向即是向著無(wú)處不在的目標(biāo)進(jìn)行的。

FPGA會(huì)成為通用型器件嗎？
FPGA的任務(wù)只是打造標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)

自1990年以來(lái)，F(xiàn)PGA的邏輯容量已經(jīng)增長(zhǎng)了近200倍，同時(shí)功耗和成本分別降低了50和500倍。另外，除了集成更多的可編程邏輯單元之外，F(xiàn)PGA更是集成了越來(lái)越多的硬核IP，包括高速以太網(wǎng)模塊、串行收發(fā)器、DSP、嵌入式處理器……FPGA正在朝著SoC的方向發(fā)展。有趣的是，傳統(tǒng)DSP和MCU亦是朝著這個(gè)方向在邁進(jìn)，三者終于開(kāi)始接壤。筆者這么說(shuō)并不是說(shuō)三種產(chǎn)品今后將是你死我活的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，從某種意義上來(lái)講三者應(yīng)該是相互配合甚至融合，而他們的最終發(fā)展趨勢(shì)則就是SoC。

這種片上高度集成只是一個(gè)前兆，也可以說(shuō)為了發(fā)展SoC而作的技術(shù)積累。Xilinx公司全球副總裁兼首席技術(shù)官I(mǎi)voBolsens表示，“利用系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)（SiP）實(shí)現(xiàn)‘虛擬SoC’將是未來(lái)一種革命性的發(fā)展趨勢(shì)?！彼^虛擬SoC即是指，在同一個(gè)封裝上面集成傳感器、處理器、存儲(chǔ)器、通用I/O、高壓I/O等器件，以替代帶有固化IP的大芯片。不同于單一芯片架構(gòu)，該架構(gòu)是采用多個(gè)裸片，每種器件都可以使用最適合自己的工藝，以降低成本、功耗和體積。而FPGA平臺(tái)則可能就會(huì)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、虛擬的SoC平臺(tái)來(lái)應(yīng)用。
也許有一天，F(xiàn)PGA會(huì)變得像PCB一樣，工程師可以自由地進(jìn)行布線并實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，而過(guò)去所常用的單片機(jī)以及標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字邏輯單元?jiǎng)t可以用IP來(lái)替代?！癋PGA正在進(jìn)入一個(gè)應(yīng)用更加廣泛的時(shí)期，特別是消費(fèi)電子領(lǐng)域。對(duì)于Xilinx來(lái)講，主要的挑戰(zhàn)來(lái)自于各式各樣的FPGA創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)在太多了，很多客戶提出的創(chuàng)意甚至連我們自己都未曾想到。因此，我們所要做的事情就是構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)和一個(gè)功能強(qiáng)大且易于使用的平臺(tái)?！盜voBolsens如此表示

基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)

如果真如上文所說(shuō)的，F(xiàn)PGA終有一天發(fā)展成像PCB一樣了，那么沒(méi)有相應(yīng)的EDA工具，我們很難想象這樣的嵌入式系統(tǒng)如何來(lái)實(shí)現(xiàn)。在與FPGA廠商的多次接觸當(dāng)中，他們無(wú)不強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，那就是FPGA廠商對(duì)于開(kāi)發(fā)工具的投入往往是巨大的。比如Xilinx在這方面的投入已經(jīng)累計(jì)高達(dá)20億美金。而FPGA要想發(fā)展為一個(gè)通用型平臺(tái)的話，豐富的工具支持將是必不可少的必要條件之一。

●Xilinx推出業(yè)界應(yīng)用最廣泛設(shè)計(jì)套件ISE9.1i：
新版本專(zhuān)門(mén)為滿足業(yè)界當(dāng)前面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)而優(yōu)化，這些挑戰(zhàn)包括時(shí)序收斂、設(shè)計(jì)人員生產(chǎn)力和設(shè)計(jì)功耗。除了運(yùn)行速度提高2.5倍以外，ISE9.1i還新采用了SmartCompile技術(shù)，因而可在確保設(shè)計(jì)中未變更部分實(shí)施結(jié)果的同時(shí)，將硬件實(shí)現(xiàn)的速度再提高多達(dá)6倍。同時(shí)，ISE9.1i還優(yōu)化了其最新65nmVirtex-5平臺(tái)獨(dú)特的ExpressFabric技術(shù)，可提供比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的解決方案平均高出30%的性能指標(biāo)。對(duì)于功耗敏感的應(yīng)用，ISE9.1i還可將動(dòng)態(tài)功耗平均降低10%。

●Altera發(fā)布QuartusII軟件7.2，延續(xù)效能優(yōu)勢(shì)：
對(duì)于FPGA、CPLD以及結(jié)構(gòu)化ASIC設(shè)計(jì)，QuartusII7.2是性能和效能首屈一指的設(shè)計(jì)軟件。隨著7.2版的進(jìn)展，與高端65nm競(jìng)爭(zhēng)FPGA相比，QuartusII軟件和StratixIIIFPGA現(xiàn)在具有兩個(gè)速率等級(jí)優(yōu)勢(shì)，而且編譯時(shí)間快3倍。此外，7.2版還首次實(shí)現(xiàn)了FPGA供應(yīng)商對(duì)64位WindowsVista的支持。在7.2版，QuartusII仍舊是由FPGA供應(yīng)商提供的、惟一支持多處理器(例如，Intel的Core2Duo和AMD的Athlon64×2)的軟件，充分利用了當(dāng)今的雙核和多核計(jì)算機(jī)。

●Actel發(fā)布LiberoIDEv8.1版本，助力便攜式設(shè)計(jì)：
為了擴(kuò)展其業(yè)界領(lǐng)先的專(zhuān)門(mén)針對(duì)芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)節(jié)省功率的解決方案，Actel公司宣布推出全新版本Libero集成設(shè)計(jì)環(huán)境(IDE)，具備嶄新的重要功能包括功率驅(qū)動(dòng)布局，使設(shè)計(jì)人員得以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可減少典型設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)功耗達(dá)30%。通過(guò)在Libero的SmartPower工具中內(nèi)置先進(jìn)的功耗分析功能，這個(gè)強(qiáng)化的分析環(huán)境將可首次讓用戶在設(shè)計(jì)的所有功能模式下深入了解其功率應(yīng)用。此外，便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員更可透過(guò)其創(chuàng)新的電池壽命評(píng)估功能，以其FPGA設(shè)計(jì)的功耗曲線為基礎(chǔ)，精確計(jì)算出電池壽命—這是首次在現(xiàn)場(chǎng)可編門(mén)陣列(FPGA)設(shè)計(jì)工具中實(shí)現(xiàn)的功能。

●Altium：
耗資上億美元花了3年時(shí)間收購(gòu)Tasking，并于2004年開(kāi)發(fā)推出Nexar2004的EDA平臺(tái)。該平臺(tái)包含多種設(shè)計(jì)導(dǎo)入方式，集成了VHDL仿真和合成，包含了各種處理器內(nèi)核的大型免使用費(fèi)IP庫(kù)，集成了嵌入式軟件設(shè)計(jì)工具。該軟件的推出對(duì)IC設(shè)計(jì)普遍化有著特別的意義。它提供了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的EDA平臺(tái)，集設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，測(cè)試綜合于一體，支持雙屏CRT，是基于PCBFPGASoC的EDA工作站，為嵌入式系統(tǒng)多CPU核設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)手段，消除了PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性、EMC、來(lái)自不同廠商的SMD器件的封裝、測(cè)試、訂貨、缺貨等困擾，提升了效率，此外，它基于FPGA實(shí)現(xiàn)用戶可重構(gòu)的SoC(上市速度快，生命周期長(zhǎng))。

目前嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)當(dāng)中，軟件開(kāi)發(fā)速度尚跟不上硬件，而硬件電路設(shè)計(jì)跟不上半導(dǎo)體工藝發(fā)展速度。因此才有通過(guò)提供優(yōu)質(zhì)FPGA把更多的應(yīng)用設(shè)計(jì)空間和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)留給其他嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的可能，而要完成這個(gè)設(shè)計(jì)，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)EDA平臺(tái)的建設(shè)就變得必不可少了，可以預(yù)見(jiàn)我們將進(jìn)入一個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟核設(shè)計(jì)時(shí)代。

結(jié)語(yǔ)

得益于半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，F(xiàn)PGA正努力遵循著摩爾定律穩(wěn)步地壯大著自己的實(shí)力。FPGA的從業(yè)者在這個(gè)發(fā)展當(dāng)中看到了更多意想不到的創(chuàng)意和可能，于是他們一方面在不斷地提高性能和降低成本與體積，一方面也在探索著其他領(lǐng)域或者方向的發(fā)展可能。也許有一天，誰(shuí)家的技術(shù)更先進(jìn)之爭(zhēng)已無(wú)意義，而更多比較的是哪家廠商更好地與其他廠商合作，市場(chǎng)需要雙贏甚至多贏的。而FPGA要成為一個(gè)平臺(tái)，前面要走的路似乎還太長(zhǎng)太曲折，不過(guò)我們有理由相信，也許在不久的將來(lái)，我們可以在大部分的電子設(shè)備當(dāng)中發(fā)現(xiàn)FPGA的蹤影。