FPGA技術創(chuàng)新，推動嵌入式應用驅動向可編輯SoC發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)如今已“無處不在”，而由于FPGA的創(chuàng)新，嵌入式系統(tǒng)里使用FPGA變得非常通用。在最近由UBM展開的一次嵌入式調查中發(fā)現(xiàn)，接近45%的嵌入式設計師計劃在下一個嵌入式項目中使用FPGA，并且很多客戶在嵌入式系統(tǒng)中同時使用微處理器和FPGA，這將驅動FPGA向SoC FPGA或可編輯SoC發(fā)展。

“而在嵌入式設計中，提高系統(tǒng)性能的同時降低系統(tǒng)功耗、減少面積都是常見的問題。隨著FPGA沿著摩爾定律發(fā)展以及通過使用硬核IP，可以在FPGA器件里集成更高級的功能，比如固化存儲器控制器、PCIe模塊，增加收發(fā)器數(shù)目和速度。同時借助更先進的工藝，我們可以得到功耗降低和性能提高的好處。”Altera亞太區(qū)產品市場經(jīng)理謝曉東表示。

虛擬目標占據(jù)先機

借助虛擬目標和FPGA在環(huán)，使客戶可以在硬件開發(fā)前進行軟件開發(fā)。

軟件的開發(fā)通常在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期中占絕對重要的位置。FPGA一直面臨設計復雜度增加的煩惱，而SoC FPGA可讓這一切迎刃而解。“由于它集成了ARM處理器，因此對于軟件開發(fā)來說，這些器件繼承了使用廣泛而且熟悉的ARM輔助系統(tǒng)的優(yōu)點。這些器件也由Altera的高效能硬件開發(fā)工具提供支持，特別是Quartus II軟件和Altera的Qsys系統(tǒng)集成工具。”謝曉東介紹說。

謝曉東進一步提到，利用Qsys進行系統(tǒng)集成非常方便，只需選擇需要的IP，通過GUI界面將他們連接起來。Qsys能夠自動生成互聯(lián)邏輯(地址/數(shù)據(jù)總線連接、總線寬度匹配邏輯、地址解碼邏輯以及仲裁邏輯等)。Qsys兼容業(yè)界標準接口IP，比如Avalon總線接口和AXI總線接口。Qsys現(xiàn)在支持100多個IP組件，今后還會有更多的兼容IP，客戶也可以通過Qsys設計自定義的IP。

而最具革命的方面是Altera的SoC FPGA虛擬目標。謝曉東指出，Altera SoC FPGA虛擬目標是對雙核ARMCortex-A9嵌入式處理器系統(tǒng)的快速功能仿真。在PC上，該仿真平臺運行Linux或者VxWorks操作系統(tǒng)，并且加入FPGA在環(huán)?？蛻艨梢詫嶋H開發(fā)電路板進行建模，虛擬目標與其仿真的實際硬件二進制和寄存器兼容，當拿到芯片之后，不需修改就能夠在虛擬目標調試通過的程序下載到硬件中運行。

目前Altera正與工業(yè)界領先公司合作進行評估和開發(fā)針對SoC FPGA的應用。借助虛擬目標和FPGA在環(huán)，使客戶可以在硬件開發(fā)之前進行軟件開發(fā)，從而實現(xiàn)FPGA所具有的先進特性。

應用要求高效低功耗

SoC FPGA目標應用市場需求為高效、低功耗、低成本。

SoC FPGA目標應用市場鎖定四大領域。謝曉東介紹說，主要包括：

一是包括“綠色”或者節(jié)能技術的工業(yè)領域，例如智能電網(wǎng)、太陽能逆變器以及更高效的工業(yè)電機控制驅動器等。

二是視頻處理也非常適合采用這類產品，比如視頻監(jiān)控攝像機和汽車輔助駕駛即是這類應用的兩個例子。

三是遠程射頻前端、LTE基站等無線基礎設施以及交換機和路由器，這類應用對性能的要求較高，而客戶還希望減小體積，降低功耗。

四是計算機和存儲。例如，每一微秒都非常重要的高速金融交易平臺以及多功能打印機、掃描儀和服務器機架管理等應用。

而這些應用的“共性”要求是提高效能，降低功耗和成本，減小電路板面積。Altera在今年早些時候發(fā)布的最新28nm Cyclone V和Arria V等SoC FPGA產品系列中采用雙核ARM Cortex-A9處理器以及硬核存儲器控制器和公共外設，在處理器系統(tǒng)和FPGA之間建立了高性能互聯(lián)，并實現(xiàn)了低功耗、低成本等優(yōu)點，可充分滿足應用需求。

設計取決于系統(tǒng)應用

在當今以系統(tǒng)為導向的環(huán)境下，FPGA技術必須提供多種選擇。

雖然目前28nm FPGA系列產品功能強大，但對新技術節(jié)點的需求已經(jīng)超出了電路設計能力，在芯片級甚至是系統(tǒng)級方面就會影響設計選擇。Altera公司主席、首席執(zhí)行官和董事會主席John Daane指出，在高速串行接口應用中，Altera發(fā)售了Stratix V FPGA，它具有可高度靈活配置的28 Gbps收發(fā)器。不過，在當今以系統(tǒng)為導向的環(huán)境下，只有業(yè)界最快的集成收發(fā)器還遠遠不夠。串行鏈路需要速度足夠快的控制器才能夠跟上收發(fā)器，控制器需要速度很快的片內總線、容量足夠大速度足夠快的緩沖以支持它們，所有這些模塊必須滿足能耗要求。相應地，Altera收發(fā)器FPGA技術必須提供多種選擇，具體取決于系統(tǒng)應用以及使用模式。

John Daane進一步解釋說，比如一些選擇是在電路級，需設不同版本的收發(fā)器工作在不同速率上，實現(xiàn)不同等級的能耗。其他決定是在模塊級，PCI Express Gen3或者DDR3等對性能要求很高和功耗要求很嚴的控制器是在可程序設計單元中實現(xiàn)，還是在固定硬件中實現(xiàn)?這類模塊是應該連接至可程序設計架構，還是硬線連接的系統(tǒng)總線，還是都需要連接?答案取決于應用。

談及今年目標，John Daane提到，今年Altera將繼續(xù)在28 nm以及后續(xù)節(jié)點與代工線伙伴合作，不斷在工藝、器件和電路上實現(xiàn)創(chuàng)新，保持公司在硅片和電路上的技術領先優(yōu)勢。Altera將繼續(xù)深入理解各種專業(yè)應用，從而能夠交付有助于用戶加速其設計規(guī)劃實施的IP和參考設計。