CPU+FPGA漸成嵌入式設(shè)計(jì)主流，Altera“黑天鵝”計(jì)劃日漸清晰

據(jù)稱在發(fā)現(xiàn)澳大利亞的黑天鵝之前，歐洲人一直認(rèn)為天鵝都是白色的。而Nassim Nicholas Taleb教授在2007年的《黑天鵝》一書中，將黑天鵝比喻為不可預(yù)知的重大事件，它在意料之外，卻對(duì)社會(huì)、歷史等發(fā)展有著非常重大的影響和推動(dòng)作用。個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、兩次世界大戰(zhàn)以及“9·11”事件等都被喻為黑天鵝事件……

為了加速實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中可編程邏輯與處理器的集成，公司日前正式對(duì)外宣布其全新的嵌入式計(jì)劃。通過該計(jì)劃，為設(shè)計(jì)人員提供了基于Quartus II開發(fā)軟件的單一設(shè)計(jì)流程——包括新的Qsys系統(tǒng)級(jí)集成工具、公用 IP庫(kù)，以及新的ARM -A9 MP 和公司32嵌入式處理器產(chǎn)品等。

公司產(chǎn)品及企業(yè)市場(chǎng)副總裁Vince Hu表示，推動(dòng)Altera進(jìn)行嵌入式計(jì)劃的主要原因在于，CPU的功耗瓶頸越來越突出，業(yè)界早在五年前就已然開始向并行化處理方向演進(jìn)，多內(nèi)核和多內(nèi)核+硬件加速的模式正成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。而正是理想的加速器實(shí)現(xiàn)方案，因?yàn)樗С脂F(xiàn)場(chǎng)可編程。但是，要達(dá)到理想的性能，F(xiàn)PGA和CPU之間還需要緊密耦合以減少延遲。面對(duì)上述趨勢(shì)，如何為CPU和可配置加速器提供更多的組合，降低BoM成本以及提供統(tǒng)一的FPGA設(shè)計(jì)流程成為工程師最為關(guān)注的話題。

實(shí)際上，目前在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)PGA已經(jīng)集成為CPU硬件的協(xié)加速器。EETIMES的調(diào)查顯示，目前有超過42%的嵌入式系統(tǒng)中集成了FPGA；而來自Altera的數(shù)據(jù)也表明，有超過30%的客戶在嵌入式設(shè)計(jì)中使用了嵌入式軟核。“用戶完全可以通過更高級(jí)的集成與整合來獲得系統(tǒng)成本上的消減。”Vince評(píng)價(jià)說。

他還同時(shí)引用了有關(guān)“培育黑天鵝”的描述，認(rèn)為只有體系結(jié)構(gòu)方面“異常的”創(chuàng)新，才有可能填補(bǔ)未來因功耗問題而帶來的性能發(fā)展瓶頸；而IBM在其企業(yè)級(jí)服務(wù)器 Z10的白皮書中也提出，“在系統(tǒng)開發(fā)后期，提供FPGA輔助芯片非常有利于增加新固件，增強(qiáng)卸載功能，IBM希望這一基于硬件的新能夠成為未來設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。”

這是近十年來，Altera第三次宣布嵌入式計(jì)劃。2000年，Altera推出了嵌入處理器系列，包括其自主軟核以及集成和32 4Kc兩款產(chǎn)品；而在三年前，Altera還推出過ARM -M1軟核。

盡管之前的合作非常愉快，但從產(chǎn)品角度來看，確實(shí)還有不盡如人意之處。Vince對(duì)此并不回避。他解釋說，究其原因，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的廠商更愿意采用軟件加速而不是價(jià)格高昂的硬件加速，再加上集成的CPU內(nèi)核無論從工藝還是性能上也都無法滿足需求。“現(xiàn)在的情況則完全不同了，”Vince認(rèn)為，“FPGA作為硬件加速器的概念被廣泛接受和認(rèn)同，制造工藝水平相對(duì)專用芯片有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的領(lǐng)先，所以我們這次也是有備而來。”

利用新的設(shè)計(jì)流程，嵌入式設(shè)計(jì)人員能夠迅速方便的面向Altera II、基于ARM和MIPS的嵌入式處理器以及最近發(fā)布的可配置 處理器開始設(shè)計(jì)。Qsys系統(tǒng)級(jí)集成工具利用了據(jù)稱是“業(yè)界首創(chuàng)的FPGA優(yōu)化芯片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”來支持多種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議，提高了結(jié)果質(zhì)量，具有很高的效能。

Vince介紹說，Qsys采用了NoC( On )的概念，因而可利用星形及環(huán)形等變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來增強(qiáng)性能。而以往的SOPC Builder由于是確定的網(wǎng)格形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且在關(guān)鍵通路上不能自動(dòng)插入Pipeline，單個(gè)通路延遲較大，從而影響整個(gè)總線性能。

作為該計(jì)劃的一部分，Altera將繼續(xù)拓展目前的嵌入式合作伙伴計(jì)劃，聯(lián)合ARM、和MIPS技術(shù)公司以及FPGA業(yè)界的多個(gè)合作伙伴。此外，Altera將與他們協(xié)作，增強(qiáng)設(shè)計(jì)流程，支持越來越多的FPGA嵌入式處理產(chǎn)品走向市場(chǎng)。

例如，Intel最近全面發(fā)布了即將推出的基于的可配置新處理器“Stellarton”。這一處理器在多芯片封裝中含有Intel 系列以及配對(duì)的Altera FPGA。對(duì)于希望采用專用I/O或者加速硬件的用戶而言，這進(jìn)一步提高了他們的靈活性，還支持開發(fā)人員迅速應(yīng)對(duì)需求的變化，從而突出其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

Altera方面還透露說，今年上半年已經(jīng)與ARM公司簽署了協(xié)議，授權(quán)包括-A9微處理器在內(nèi)的多種技術(shù)，并將在28nm FPGA技術(shù)中提供集成了增強(qiáng)Cortex A9處理器子系統(tǒng)的產(chǎn)品。但該公司拒絕透露更多這些基于ARM處理器的器件的詳細(xì)信息，只表示，相關(guān)產(chǎn)品信息將在2011年陸續(xù)發(fā)布。

之所以選用Cortex A9，Vince強(qiáng)調(diào)說是因?yàn)槠涓咝阅?，具備多核能力，在業(yè)界的應(yīng)用非常普遍，在CPU總體生態(tài)環(huán)境里也非常完善。將該處理器以硬核的方式集成進(jìn)FPGA，以滿足用戶對(duì)低功耗和高性能的要求，應(yīng)該會(huì)受到用戶的歡迎。

Altera還同時(shí)擴(kuò)展了軟核處理器系列產(chǎn)品，即將在2011年上半年推出基于MIPS技術(shù)公司MIPS32處理器體系結(jié)構(gòu)的2軟核處理器。是Altera、MIPS以及主要用戶過去幾年密切協(xié)作的結(jié)果。它針對(duì)Altera器件完善了Altera II嵌入式處理器以及合作伙伴軟核CPU系列產(chǎn)品，極大的豐富了FPGA可以使用的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

來看，到2011年，Altera公司屆時(shí)將會(huì)擁有 II、MIPS 、ARM Cortex-M1、 Coldfire四款軟核、ARM Cortex-A9硬核以及和英特爾合作的可配置處理器，屬于“多點(diǎn)開花”。但隨之而來的問題在于，相比它的老對(duì)手只綁定ARM而言，面對(duì)如此眾多的處理器產(chǎn)品，Altera是否能提供足夠的支持力度？并且理順這些彼此間激烈競(jìng)爭(zhēng)的廠商間的關(guān)系。

據(jù)悉，本季度末，Altera將提供Qsys系統(tǒng)集成工具，它是Quartus II開發(fā)軟件的一部分。采用FPGA優(yōu)化芯片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠提供存儲(chǔ)器映射和數(shù)據(jù)通路互聯(lián)，使Altera SOPC Builder工具的性能幾乎提高至兩倍，同時(shí)支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)IP接口，例如ARM的AMBA。相信這對(duì)于整個(gè)嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是有積極意義的。

Qsys將采用使用方便的SOPC Builder界面，支持與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)移植的后向兼容。而且，這一高級(jí)互聯(lián)技術(shù)將支持分層設(shè)計(jì)、漸進(jìn)式編譯以及部分重新配置方法。Altera將在本季度末發(fā)布Qsys和嵌入式計(jì)劃更詳細(xì)的信息。