FPGA走向硅片融合時(shí)代

　　對FPGA這種特殊芯片產(chǎn)品的認識開(kāi)始于10年前對Altera公司的認識。Altera公司獨特的嚴謹氣質(zhì)與FPGA這種芯片非常契合。多年來(lái)跟蹤報道Altera在FPGA技術(shù)上的不斷創(chuàng )新，加之后來(lái)有機會(huì )結識賽靈思公司，兩家業(yè)內翹楚的針?shù)h相對與惺惺相惜，使我對FPGA整個(gè)體系架構的演進(jìn)過(guò)程有了比較全面的理解。前段時(shí)間，有機會(huì )與Altera公司CTO、資深副總裁Misha Burich先生交流FPGA業(yè)界發(fā)展趨勢，使得自己對FPGA技術(shù)發(fā)展的理解愈加清晰和深刻。

　　FPGA體系架構演進(jìn)

　　FPGA興起于上世紀90年代，最初是作為替代膠合邏輯的產(chǎn)品，整個(gè)90年代，FPGA市場(chǎng)發(fā)展迅速。FPGA不斷攀登更高的工藝水平，以此來(lái)提高性能和降低成本，從而拉近與傳統ASIC在成本上的巨大差距，更充分發(fā)揮其靈活的優(yōu)越性。終于在40nm工藝水平時(shí)，FPGA通過(guò)Altera的Hardcopy技術(shù)實(shí)現的芯片與130nm的ASIC在芯片面積和成本上完全接近。

　　在不斷攀升工藝水平的同時(shí)，FPGA在自身架構上也在不斷進(jìn)行創(chuàng )新。一方面，FPGA內的邏輯單元數量幾十倍地增長(cháng)，另一方面，FPGA內集成了越來(lái)越多的功能單元和IP，如ALM、RAM、XCVR、PLL、DSP等等。多功能模塊的集成使FPGA擴展了應用領(lǐng)域，在通信基礎設施、軍事、測試測量、醫療等領(lǐng)域可部分取代傳統的ASIC、DSP和ASSP。

　　硅片融合的趨勢

　　進(jìn)入2011年，整個(gè)半導體業(yè)界芯片融合的趨勢越來(lái)越鮮明。比如，以DSP見(jiàn)長(cháng)的TI、ADI相繼推出將DSP與MCU集成在一起的芯片平臺，而以做MCU平臺為主的廠(chǎng)商也推出了在MCU平臺上集成DSP核的方案。在FPGA業(yè)界，這個(gè)趨勢更加明顯。除了DSP核和處理器IP早已集成在FPGA芯片上之外，FPGA廠(chǎng)商開(kāi)始積極與處理器(核)廠(chǎng)商合作推出集成了FPGA的處理器平臺產(chǎn)品。這種融合的趨勢出現的根本原因是什么呢?

　　這還要從CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)起。通用的CPU和DSP軟件可編程、靈活性高，但功耗較高;FPGA具有硬件可編程的特點(diǎn)，非常靈活，功耗較低;ASIC和ASSP是針對特定應用固化的，不可編程，不靈活，但功耗很低。這就牽涉到了一個(gè)矛盾：靈活性和效率的矛盾。隨著(zhù)電子產(chǎn)品推陳出新速度不斷加快，對產(chǎn)品設計的靈活性和功耗效率要求越來(lái)越高，怎樣才能兼顧靈活性和功效，這是一個(gè)巨大的挑戰。半導體業(yè)內玩家們最終共同認可了一點(diǎn)：芯片的融合。將不同特點(diǎn)的芯片集成在一起，讓平臺具備他們所有的優(yōu)點(diǎn)，避免所有的缺點(diǎn)。因此，微處理器+DSP+專(zhuān)用IP+可編程架構成為芯片融合的主要架構。

　　Misha Burich指出，在芯片融合的方向上，FPGA具有天然的優(yōu)勢。這是因為FPGA本身架構非常清晰，其生態(tài)系統經(jīng)過(guò)多年的培育發(fā)展，非常完善，軟硬件和第三方合作伙伴都非常成熟，此外，因其自身在發(fā)展過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)行了很多CPUDSP和許多硬IP的集成，因此，在與其他處理器進(jìn)行融合時(shí)，具有成熟的環(huán)境和豐富的經(jīng)驗。Altera已經(jīng)和業(yè)內各個(gè)CPU核廠(chǎng)商展開(kāi)了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel，推出了混合系統架構的產(chǎn)品。

　　混合系統架構核心技術(shù)

　　芯片的融合是個(gè)完美的解決方案，但真正落實(shí)在行動(dòng)上卻面臨很多技術(shù)上的挑戰。多種不同架構的部分融合在一起，在綜合、仿真和時(shí)序分析方面、嵌入式軟件工具和操作系統支持上、DSP編程、基于C語(yǔ)言的編程工具及系統互聯(lián)方面都面臨很多難點(diǎn)需要克服。Misha Burich說(shuō)，系統支持環(huán)境對于融合的架構來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。Altera公司的研發(fā)團隊中有一半人是作芯片研發(fā)，另一半人專(zhuān)門(mén)作編程支持工作。Misha Burich本人在EDA公司曾工作多年，作為CTO，他更加重視FPGA系統的編程環(huán)境的建設。

　　有兩項技術(shù)屬于混合系統架構的支撐性技術(shù)。首先是OpenCL技術(shù)。OpenCL(全稱(chēng)Open Computing Language，開(kāi)放運算語(yǔ)言)是第一個(gè)面向異構(也就是混合架構)系統通用目的并行編程的開(kāi)放式、免費標準，也是一個(gè)統一的編程環(huán)境，便于軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類(lèi)型架構以及數字信號處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂(lè )、科研、醫療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。OpenCL 原本是圖形編譯器，通過(guò)C語(yǔ)言，可利用該編譯器對FPGA編程。它是一個(gè)開(kāi)放的架構，支持編程人員使用Altera的硬件技術(shù)(FPGA芯片、Qsys、DSP-B、DSP-AB等)，提供邏輯和數據管理功能，對產(chǎn)品上市時(shí)間和效能具有積極的影響。

　　另外一項關(guān)鍵技術(shù)是3D封裝技術(shù)，將不同的技術(shù)和管芯放在一個(gè)封裝當中，通過(guò)襯底進(jìn)行管芯連接?；旌舷到y架構是異構的系統，將具有不同架構的處理器核封裝在一起是很有難度的事情。但用戶(hù)和應用要求必須將異構系統集成到一個(gè)封裝中，這意味著(zhù)要混合和匹配芯片IP，集成設計流程和集成系統測試方法，封裝在一起可以提高系統性能和降低系統功耗，更小的封裝會(huì )具有更低的系統成本。Altera與TSMC合作，采用其CoWoS(基底晶圓芯片)技術(shù)(該技術(shù)仍屬于2.5D封裝技術(shù))，將制造和封裝合并到一起，生產(chǎn)出Altera第一款異構測試芯片。Altera還與IMEC(一家比利時(shí)的研發(fā)機構)合作進(jìn)行3D封裝研究，并與其他合作伙伴在2.5D和3D工具以及技術(shù)上進(jìn)行合作，包括影響標準、評估小間距TSV(硅通孔)、開(kāi)發(fā)小間距微凸塊等。

　　嶄新應用

　　FPGA技術(shù)的不斷創(chuàng )新和突破，以及硅片融合架構產(chǎn)品的推出，使之可以應用在許多以前不曾涉足的廣闊領(lǐng)域。在計算領(lǐng)域，混合架構FPGA可用于服務(wù)器中進(jìn)行硬件加速;在存儲領(lǐng)域，混合架構FPGA可應用在固態(tài)硬盤(pán)當中，減少延時(shí);在工業(yè)領(lǐng)域，混合架構FPGA可用于高能效的驅動(dòng)器，和ARM處理器配合降低系統成本和功耗;在汽車(chē)中，SoC FPGA和ARM分工合作，實(shí)現視頻監控，可實(shí)現車(chē)載輔助駕駛。

　　FPGA創(chuàng )新的腳步還在繼續，相信未來(lái)還會(huì )帶給人們更多驚喜。

　　Altera公司CTO資深副總裁 Misha Burich