硅晶片融合技術助力　SoC FPGA設計架構脫穎而出（二）

　　現場可編程門陣列（FPGA）是系統設計人員的第三種方案（圖1）。在很多方法中，FPGA一直是以軟體為中心採用CPU架構的方法，與以硬體為中心的ASIC方法之間的一種做法。在FPGA中實現的演算法，并不像軟體那么容易進行修改，但是修改FPGA配置要比投入生產新版ASIC容易得多，即使這種修改只是在幾個金屬層上。

　　圖1 現場可編程門陣列發展藍圖

　　相反地，與在軟體中運行任務相比，在FPGA中運行相同的任務會非常快，而且功率消耗也很低。但是FPGA通常要比相等價格的ASIC速度慢，功能效率也要低一些。

　　因此，當一種僅採用軟體的解決方案無法滿足速度和功率消耗要求，無法找到能夠突出產品優勢的ASSP，或者使用ASIC不能滿足預算要求，達不到預期的產量，無法支援往后的系統改動時，系統設計人員會轉向採用FPGA。對于FPGA供應商，這種情況經常出現，在最近幾年，FPGA的銷售要比其替代方案好得多。

　　在監控實例中，設計人員可以結合使用運行系統軟體的工業標準微處理器，以及實現商用硅智財（IP）進行標準影像處理和訂製設計DSP管線的FPGA。這樣一來，FPGA中的設計在功能模組層級上類似于ASIC，而在閘級實現起來卻是完全不同。

　　針對任務選擇最佳實現方法

　　在理想情況下，系統開發人員不必在多種方法上進行選擇。開發人員可以針對每個任務來選擇最佳實現方法。可以在相應的CPU軟體中實現很少改變而且不關鍵的任務。透過標準定義性能和功率消耗非常關鍵的任務，如此一來，這些任務不會改變，成為固定硬體。而有可能改變并且需要硬體支援的任務，則在FPGA可程式設計邏輯架構內實現。

　　在過去的幾個硅晶片製程世代中，這實際上是常用的方法。那時的整合度較低，微處理器、加速器、復雜介面控制器及FPGA都是獨立的晶片。但是在90奈米（nm）製程世代，除了FPGA架構外，系統單晶片（SoC）包括這些所有功能，而且由SoC設計人員而不是系統設計人員來確定大部分實現方法。系統設計人員選擇最合適的SoC，編寫自己的軟體，實現FPGA與SoC靈活的介面，進而突出產品優勢。

　　現在，情況又發生了變化。晶片開發人員能夠使用大量的電晶體，支援FPGA的硅晶片融合。功能強大的微控制器增加專用硬體，因此它們看起來像是ASIC SoC。ASIC和ASSP能夠含有功能強大的32位元CPU，因此看起來像高階微控制器。新的SoC FPGA系列同時含有多核心CPU和專用硬體模組，契合實際需求，可支援系統設計人員根據不同的任務要求來選擇軟體、專用硬體或是可程式設計邏輯。

　　設計人員可以採用這類融合晶片，在一對功能強大的CPU核心上實現系統軟體及影像處理演算法的多執行緒部分。他們可以在DSP硬式核心和可程式設計架構上實現其他演算法，這些都是在一個晶片上實現。

　　日益攀升的開發成本，使得ASIC的應用領域越來越少，而硅晶片融合發展趨勢可支援實現叁種系統層級解決方案。微控制器、ASSP和FPGA變得幾乎是一樣的，但有一個重要的不同點。出于技術和智慧財產權法律的考慮，只有FPGA能夠實現最先進的可程式設計邏輯架構。因此只有FPGA支援系統設計人員可在硬體層級實現其突出產品優勢的策略。
硅晶片融合帶來各種可能

　　硅晶片融合將為今后幾年的系統開發確定方向。一方面，將看到高階微控制器和ASSP成為系統的硬體基礎，這些系統硬體將實現商品化，在市場上系統產品之間的不同體現在軟體上。另一方面，也會看到突出硬體優勢、採用FPGA架構的系統脫穎而出。

　　這種趨勢會進一步加速，塬因是兩種新出現的技術：叁維（3D）IC和異質結構程式設計系統。3D IC技術支援完全不同技術的IC整合，例如FPGA、微處理器、動態隨機存取記憶體（DRAM）和射頻（RF）等，在一個堆疊中實現這些技術，沒有獨立IC的晶片間時序和電源成本問題。此一趨勢的一個早期例子是英特爾（Intel）凌動（Atom）E6x5C系列，其整合Atom CPU和Altera FPGA。Atom為軟體提供業界標準架構，而FPGA能夠建立專用加速器和介面控制器。

　　E6x5C系列還滿足另一種新出現的技術的需求--異質結構程式設計環境。理想情況下，系統開發人員只須要編寫并除錯一個CPU的軟體就可以開始設計。然后，開發平臺會幫助他們找到關鍵程式碼片段，在多個CPU核心上分配任務，共用快取記憶體，為關鍵程式碼核心建立硬體加速器。透過這種方法，設計團隊能夠細緻地調整設計，直至其滿足時序和功率消耗要求。

　　這種開發環境的一個例子是Altera現在正在進行的OpenCL-FPGA計畫（圖2）。其目的是提供單一的環境，讓系統開發人員能夠在其中採用C語言開發程式，隔離需要大量運算的核心，產生平行硬體引擎來加速核心，整合最終的硬體軟體系統。

　　圖2 OpenCL-FPGA計畫
在提高硅晶片整合度需求的推動下，融合功能逐漸將系統所有主要電子模組整合到一個封裝內，讓系統開發人員能夠集中精力來突顯其最終產品的優勢。FPGA表面上看起來越來越像ASSP和微控制器，而實際上增強系統開發人員突出硬體優勢的能力。新出現的3D IC技術及異質結構開發環境將加速FPGA系統級IC從傳統微電子世界中脫穎而出。

　　圖3 硅晶片融合將為FPGA開創出更多應用可能。