FPGA、CPU與DSP等技術(shù)走向融合(精)

1、FPGA CPU 與 DSP 等技術(shù)走向融合實(shí)際上，推動(dòng)某項(xiàng)或幾項(xiàng)技術(shù)發(fā)展方向的真正動(dòng)力是市場與技術(shù)的綜合因 素，技術(shù)本身或內(nèi)在的發(fā)展慣性并不是最重要的，或者說并非唯一決定性因 素。在無線通信基礎(chǔ)設(shè)施、汽車電子、智能視頻監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化控制和航空 航天等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，目前的市場需求是：以更低成本、更低功耗、更小 尺寸處理日益復(fù)雜的功能。這些市場需求正推動(dòng)著FPGA、CPU、DSP 等不同技術(shù)走向融合。對(duì) FPGA 技術(shù)來說，早期研發(fā)在 5 年前就已開始嘗試采用多核和硬件協(xié)處 理加速技術(shù)朝系統(tǒng)并行化方向發(fā)展。在實(shí)際設(shè)計(jì)中， FPGA 已經(jīng)成為 CPU 的 硬件協(xié)加速器，很多芯片廠商采用了硬核或

2、軟核 CPU+FPGA 的模式，今后 這一趨勢也將繼續(xù)下去。CPU+FPGA 模式的興起賽靈思根據(jù)市場需求，率先于 2010 年 4 月 28 日發(fā)布了集成 ARM Cortex- A9CPU和 28nmFPGA 的可擴(kuò)展式處理平臺(tái) (Extensible Processing Platform) 架 構(gòu)。該公司全球市場營銷及業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)副總裁 VinRatford 曾在不同場合強(qiáng)調(diào)： 該架構(gòu)顛覆了以前以 FPGA 為中心， CPU 為輔的理念。 現(xiàn)在以 CPU 為 主，F(xiàn)PGA為輔。 CPU 可單獨(dú)啟動(dòng)。這個(gè)架構(gòu)針對(duì)的是嵌入式軟件開發(fā)工程 師，而不是 FPGA工程師。 ”時(shí)隔不到一年，賽靈思

3、于 2011 年 3 月 4 日又推出了可擴(kuò)展處理平臺(tái) Zynq- 7000 系列，把 FPGA+ASIC+ASSP 優(yōu)勢集成在一起，形成了對(duì)傳統(tǒng) ASIC 和 ASSP 市場的進(jìn)一步滲透。雖然不會(huì)取代后兩者，但對(duì)它們的現(xiàn)有地位構(gòu)成 了強(qiáng)勁挑戰(zhàn)(參見本站報(bào)道 “不是單純的 FPGA 賽靈思推出可擴(kuò)展處理 平臺(tái) Zynq-7000 系列 ”)英特爾在 2010 秋季 IDF 上發(fā)布的凌動(dòng) E600C 可配置處理器 SoC 封裝中， 也集成了 Altera 的 FPGA 。后者看上的是凌動(dòng)的處理性能和業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的芯 片工藝。不過，一位 FPGA 廠商的高層人士指出： “這款可配置處理器采用開放的

4、標(biāo)準(zhǔn)PCIe 作為處理器與芯片的接口，雖然提高了設(shè)計(jì)靈活性，降低了開發(fā) 難度，但是接口帶寬還是略顯局促。另外，在價(jià)格和功耗方面也需較大的改 進(jìn)?！庇⑻貭枌?duì)此回應(yīng)表示，該 SoC 的性能完全可以滿足我們目前所涉及的市場 領(lǐng)域客戶的設(shè)計(jì)需求。當(dāng)然，針對(duì)未來的需求，還會(huì)進(jìn)一步完善。Altera 也根據(jù)大批客戶的反饋和要求，于2010 年 10 月 13 日公布了自己的嵌入式計(jì)劃，與 ARM 、 MIPS 及 Intel 等主要嵌入式處理器伙伴合作，提供 集成了CPU+FPGA 的多種技術(shù)方案。美高森美(Microsemi)的 SoC 產(chǎn)品部(原 Actel 公司)于 2010 年 11 月 17 日

5、發(fā) 布了65nm 嵌入式閃存工藝的 FPGA 平臺(tái)，采用了 ARMCortex-M3 微處理器 架構(gòu)及 DSP模塊。當(dāng)然，還有一直在可編程 SoC ( PSoC)領(lǐng)域深耕不輟的賽普拉斯(Cypress)，其較早前也推出了集成PLD、ARMCortex-M3 處理器的PSoC5。除英特爾采用自己的凌動(dòng)可配置處理器外，上述幾家廠商均選擇了ARM處理器架構(gòu)。賽靈思的 VinRatford 及 Altera 產(chǎn)品和企業(yè)市場副總裁 VinceHu 一致給出了如下幾點(diǎn)理由： ARM 處理器架構(gòu)在全球范圍內(nèi)具有成熟的互聯(lián) 社區(qū)生態(tài)環(huán)境，200 多家芯片合作伙伴以及 500 多家許可證持有者；完善的 操作系統(tǒng)

6、支持；豐富的 IP庫。值得注意的是，已被英特爾收購的風(fēng)河系統(tǒng)表示，將與賽靈思合作提供基于 ARM 處理器架構(gòu)的可配置軟 /硬件平臺(tái)。這對(duì)于嵌入式領(lǐng)域兩個(gè)冤家英特爾和 ARM 的初期競爭，似乎體現(xiàn)出某些 “你中有我，我中有你 ”的狀 態(tài)。ARM似乎對(duì)這種情況無所謂，畢竟受到支持的廠商越多越好。但作為 風(fēng)河的東家，英特爾可能更多的是無奈。不過在商言商，現(xiàn)階段也只能坦然 面對(duì)。CPU+FPGA 的并行處理將大行其道目前，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在下述一些問題： IP 復(fù)用；總體成本和占板面 積；工藝；一味提高處理器時(shí)鐘速率，會(huì)使功耗大幅增加及散熱惡化，并增 加設(shè)計(jì)人員解決這些問題的時(shí)間和系統(tǒng)成本；FPGA

7、 與 CPU 之間的信號(hào)傳輸時(shí)延較大。不過，CPU+FPGA 的 SoC 方案現(xiàn)已解決了 IP 復(fù)用問題，高集成度也降低 了系統(tǒng)總體成本、占板面積和功耗。賽靈思和 Altera 除自身的接口技術(shù)外， 都采用了 ARM的 AMBAAXI 總線，使時(shí)延達(dá)到了 ns 級(jí)。今后，多核與硬 件協(xié)處理器的大規(guī)模并行處理技術(shù)將大行其道。還有，賽靈思和 Altera 除了利用 ARM 的生態(tài)系統(tǒng)，還都在努力擴(kuò)大自己 的合作伙伴范圍，以吸引更多的設(shè)計(jì)人員。Altera 軟件、嵌入式和 DSP 營銷高級(jí)總監(jiān) ChrisBalough 表示： “生產(chǎn)商、 用戶和輔助支撐系統(tǒng)在產(chǎn)品上彼此之間會(huì)有影響時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)效應(yīng)。基 本原理是，某一種產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用越多，它在用戶基礎(chǔ)和輔助支撐系統(tǒng)中 的價(jià)值就越高。結(jié)果，用戶基礎(chǔ)和輔助支撐系統(tǒng)就會(huì)在這種技術(shù)上加大投 入，從而吸引更多的應(yīng)用，產(chǎn)生一種自我增強(qiáng)的良性循環(huán)。SoCFPGA 極有可能看到這種平臺(tái)效應(yīng)。隨著 SoCFPGA 的不斷發(fā)展，用戶將非常愿意重新 使用他們?cè)诙喾N系統(tǒng)中用過的 FPGAIP 和設(shè)計(jì)軟件。 ”FPGA 與 DSP 的融合與競爭另外，對(duì)于串行結(jié)構(gòu)出身的 DSP 和并行結(jié)構(gòu)出身的 FPGA ，兩種技術(shù)目前 都在利用自身的優(yōu)勢開發(fā)新工藝和架構(gòu)，以滿足新應(yīng)用的需求。例如，TI 和飛思卡