FPOA挑戰FPGA——新型可重構邏輯芯片擁有大規模并行化陣列

摘要： 本文介紹的新型可重構邏輯芯片FPOA擁有大規模并行化陣列，有望在市場上與FPGA等可配置產品展開競爭。

關鍵詞：FPOA；FPGA；陣列

兩大公司—Altera和Xilinx—統治著FPGA市場，只為少數幾家較小的玩家在細分市場的開拓方面留下了一點空間。找出一條能繞過這兩家巨無霸的道路成為一個挑戰。一家小公司就接受了這樣的挑戰—MathStar。該公司成立于1997年，總部在Hillsboro，Oregon。

MathStar于2004年9月提供了第一種基于FPOA技術的器件的樣品，然后根據客戶的反饋對其進行了數次改進。經過改進的芯片的樣品于2005年8月開始供應，MathStar目前正在研發另一款預計于明年交付的芯片。該公司宣稱其產品在12項設計中得到了應用。

對象陣列，而非門陣列

MathStar將其器件的架構稱為可現場編程的對象陣列(field-programmable object array，FPOA)。它由基于SRAM的可編程邏輯構成，與常規的FPGA非常類似，但它能在更抽象的層次上進行編程。設計者是與預先定義了功能的單元所構成的大規模并行陣列打交道，而不是對那些門陣列修修補補。

這些單元中的大多數是完全相同、可以自主運行的ALU或者乘法－累加器(MAC)單元。其他的單元則是由ALU和MAC所分享的寄存器陣列。第一種FPOA器件擁有400個上述這些類型的16bit單元，相互間通過緊密耦合的互連架構綴連起來。芯片的外圍是SRAM庫、外部內存接口、高速并行I/O端口以及通用I/O(GPIO)端口。

陣列中所缺少的是一個控制處理器。一個FPOA需要某種主控控制器，如RISC處理器或者微控制器。這一需求使FPOA置身于FPGA和功能齊備的微處理器之間的灰色地帶中。它是一個完全可編程的運算機，但它需要一個外部的控制器來完成位流的初始加載以及結果的檢索。大多數FPGA也需要主控控制器，雖然某些帶有片上的硬件處理器核，而另一些可以依靠自身的門陣列來提供軟處理器核。

MathStar宣稱，通過用定制化設計的功能單元來對FPOA進行預定義，就可以讓FPOA發揮出高于采用通用可編程邏輯的FPGA的性能。該公司的第一種器件，MOA1400D，就可以以高達1.0GHz的速度運行—這遠遠快于常規的FPGA。因為其400種單元中的每一種在每個時鐘周期中可以執行一次操作，理論上最大的處理吞吐量為每秒4000億次操作(BOPS)。此外，MathStar擔保，其器件始終以最高的時鐘頻率運行。這相對于傳統的FPGA而言是一個巨大的優勢—編程者需要在門陣列上實現復雜的設計時，FPGA常常必須以低于其最高頻率的時鐘頻率運行。

MathStar的架構的另一個優勢在于適合在成熟的CMOS工藝上制造，而這些工藝并不存在那些最新建立的、代價昂貴的工藝線中所存在的漏電流問題。TSMC在其0.13mm低壓工藝(LVOD)上制造MOA1400D，所制造出的產品在運行主要的應用時的典型功耗低于20W。批量達1 000時，最快的1.0GHz器件的價格為285美元。

基本組成單元—“硅對象”

MathStar顯然在其FPOA架構中融入了某種思想。陣列的基本組成單元是16bit的功能單元和寄存器陣列，MathStar將這些單元稱為“硅對象”(商標名而已)。這些是完全定制化的邏輯模塊，并非標準的單元或者用通用門陣列綜合而成的模型。定制化的電路設計可以容許更高的時鐘頻率，同時節省硅片面積和功耗。圖1示出了3種遍布第一款FPOA芯片的“硅對象”。

圖1  MathStar最初創建了3種類型的硅對象：16bit ALU、16bit的乘法－累加(MAC)單元和64輸入寄存器陣列。硅對象的設計可以保證互換性，因此不同的FPOA芯片的陣列中，這些對象的構成情況是不同的


每一種硅對象的物理尺寸都正好相等，而與互連架構的I/O接口也完全一致，因此在陣列內部，它們是可以互換的。也就是說，MathStar可以生成陣列規模各異、各種硅對象組成情況也不相同的新型FPOA芯片。一旦完成研發，該陣列就專門用于該器件，客戶可以對該陣列進行編程，但是不能更改其排列或者硅對象的編制。從這個意義上來說，FPOA更類似于一個大規模的并行微處理器，而不是一個由門陣列堆砌而成的FPGA。它的可編程邏輯可以在更高的層次上完成編程，編程過程更接近于應用軟件級，而不是邏輯門級。

在更高層次上的可編程性意味著較低的靈活性。不過一片FPOA不僅僅是一片由16bit的功能單元組成的大規模的并行陣列芯片。密集交織的互連架構使得設計者能將硅對象編組，而這種方式無法利用傳統的處理器中的多功能單元來實現。從這個意義上來說，FPOA更像是一個FPGA，而非微處理器。例如，設計者可以將多個硅對象捆綁到一起，來執行32bit或者寬度更大的運算，或者并行執行多個任務。或者，設計者也可以將多個硅對象構成的鏈條鏈接起來，以便以流水線方式來執行串行任務。FPGA是由邏輯門組成的一片空白芯片，而FPOA則是由功能單元、寄存器陣列和互連構成的一片空白芯片。

正如圖2所示出的那樣，MOA1400D擁有256個ALU、64個MAC單元和80個寄存器陣列，硅對象的總數達到了400個，排列成20