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[導讀]FPGA、CPU與DSP等技術走向融合

 實際上,推動某項或幾項技術發(fā)展方向的真正動力是市場與技術的綜合因素,技術本身或內在的發(fā)展慣性并不是最重要的,或者說并非唯一決定性因素。

    在無線通信基礎設施、汽車電子、智能視頻監(jiān)控、工業(yè)自動化控制和航空航天等嵌入式應用領域,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雜的功能。這些市場需求正推動著FPGACPU、DSP等不同技術走向融合。

    對FPGA技術來說,早期研發(fā)在5年前就已開始嘗試采用多核和硬件協(xié)處理加速技術朝系統(tǒng)并行化方向發(fā)展。在實際設計中,F(xiàn)PGA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的可擴展式處理平臺(Extensible Processing Platform)架構。

    該公司全球市場營銷及業(yè)務開發(fā)高級副總裁VinRatford曾在不同場合強調:“該架構顛覆了以前以FPGA為中心,CPU為輔的理念。現(xiàn)在以CPU為主,F(xiàn)PGA為輔。CPU可單獨啟動。這個架構針對的是嵌入式軟件開發(fā)工程師,而不是FPGA工程師。”

    時隔不到一年,賽靈思于2011年3月4日又推出了可擴展處理平臺Zynq-7000系列,把FPGA+ASIC+ASSP優(yōu)勢集成在一起,形成了對傳統(tǒng)ASIC和ASSP市場的進一步滲透。雖然不會取代后兩者,但對它們的現(xiàn)有地位構成了強勁挑戰(zhàn)(參見本站報道“‘不是單純的FPGA’——賽靈思推出可擴展處理平臺Zynq-7000系列”)。

    英特爾在2010秋季IDF上發(fā)布的凌動E600C可配置處理器SoC封裝中,也集成了Altera的FPGA。后者看上的是凌動的處理性能和業(yè)內最先進的芯片工藝。

    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標準PCIe作為處理器與芯片的接口,雖然提高了設計靈活性,降低了開發(fā)難度,但是接口帶寬還是略顯局促。另外,在價格和功耗方面也需較大的改進。”   

    英特爾對此回應表示,該SoC的性能完全可以滿足我們目前所涉及的市場領域客戶的設計需求。當然,針對未來的需求,還會進一步完善。

    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的多種技術方案。

    美高森美(Microsemi)的SoC產(chǎn)品部(原Actel公司)于2010年11月17日發(fā)布了65nm嵌入式閃存工藝的FPGA平臺,采用了ARMCortex-M3微處理器架構及DSP模塊。

    當然,還有一直在可編程SoC(PSoC)領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可配置處理器外,上述幾家廠商均選擇了ARM處理器架構。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理由:ARM處理器架構在全球范圍內具有成熟的互聯(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)支持;豐富的IP庫。

    值得注意的是,已被英特爾收購的風河系統(tǒng)表示,將與賽靈思合作提供基于ARM處理器架構的可配置軟/硬件平臺。這對于嵌入式領域兩個冤家——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似乎對這種情況無所謂,畢竟受到支持的廠商越多越好。但作為風河的東家,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。

    CPU+FPGA的并行處理將大行其道

    目前,嵌入式系統(tǒng)設計中存在下述一些問題:IP復用;總體成本和占板面積;工藝;一味提高處理器時鐘速率,會使功耗大幅增加及散熱惡化,并增加設計人員解決這些問題的時間和系統(tǒng)成本;FPGA與CPU之間的信號傳輸時延較大。

    不過,CPU+FPGA的SoC方案現(xiàn)已解決了IP復用問題,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除自身的接口技術外,都采用了ARM的AMBAAXI總線,使時延達到了ns級。今后,多核與硬件協(xié)處理器的大規(guī)模并行處理技術將大行其道。

    還有,賽靈思和Altera除了利用ARM的生態(tài)系統(tǒng),還都在努力擴大自己的合作伙伴范圍,以吸引更多的設計人員。

    Altera軟件、嵌入式和DSP營銷高級總監(jiān)ChrisBalough表示:“生產(chǎn)商、用戶和輔助支撐系統(tǒng)在產(chǎn)品上彼此之間會有影響時,就會出現(xiàn)平臺效應。基本原理是,某一種產(chǎn)品或標準的應用越多,它在用戶基礎和輔助支撐系統(tǒng)中的價值就越高。結果,用戶基礎和輔助支撐系統(tǒng)就會在這種技術上加大投入,從而吸引更多的應用,產(chǎn)生一種自我增強的良性循環(huán)。SoCFPGA極有可能看到這種平臺效應。隨著SoCFPGA的不斷發(fā)展,用戶將非常愿意重新使用他們在多種系統(tǒng)中用過的FPGAIP和設計軟件。”

    FPGA與DSP的融合與競爭

    另外,對于串行結構出身的DSP和并行結構出身的FPGA,兩種技術目前都在利用自身的優(yōu)勢開發(fā)新工藝和架構,以滿足新應用的需求。例如,TI和飛思卡爾不久前針對3G/LTE多標準無線基站應用,各自開發(fā)了采用不同技術將CPU、FPGA、ASIC和DSP功能集成在SoC內的方案。而CPU+FPGA+DSP的SoC技術現(xiàn)在也能提供更多的GMACs執(zhí)行無線DSP算法了。

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