FPGA走向硅片融合時(shí)代

　　對(duì)FPGA這種特殊芯片產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)開(kāi)始于10年前對(duì)Altera公司的認(rèn)識(shí)。Altera公司獨(dú)特的嚴(yán)謹(jǐn)氣質(zhì)與FPGA這種芯片非常契合。多年來(lái)跟蹤報(bào)道Altera在FPGA技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，加之后來(lái)有機(jī)會(huì)結(jié)識(shí)賽靈思公司，兩家業(yè)內(nèi)翹楚的針?shù)h相對(duì)與惺惺相惜，使我對(duì)FPGA整個(gè)體系架構(gòu)的演進(jìn)過(guò)程有了比較全面的理解。前段時(shí)間，有機(jī)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(shì)，使得自己對(duì)FPGA技術(shù)發(fā)展的理解愈加清晰和深刻。

　　FPGA體系架構(gòu)演進(jìn)

　　FPGA興起于上世紀(jì)90年代，最初是作為替代膠合邏輯的產(chǎn)品，整個(gè)90年代，F(xiàn)PGA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(tǒng)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)，F(xiàn)PGA通過(guò)Altera的Hardcopy技術(shù)實(shí)現(xiàn)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)，F(xiàn)PGA在自身架構(gòu)上也在不斷進(jìn)行創(chuàng)新。一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)的邏輯單元數(shù)量幾十倍地增長(zhǎng)，另一方面，F(xiàn)PGA內(nèi)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(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域，在通信基礎(chǔ)設(shè)施、軍事、測(cè)試測(cè)量、醫(yī)療等領(lǐng)域可部分取代傳統(tǒng)的ASIC、DSP和ASSP。

　　硅片融合的趨勢(shì)

　　進(jìn)入2011年，整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界芯片融合的趨勢(shì)越來(lái)越鮮明。比如，以DSP見(jiàn)長(zhǎng)的TI、ADI相繼推出將DSP與MCU集成在一起的芯片平臺(tái)，而以做MCU平臺(tái)為主的廠商也推出了在MCU平臺(tái)上集成DSP核的方案。在FPGA業(yè)界，這個(gè)趨勢(shì)更加明顯。除了DSP核和處理器IP早已集成在FPGA芯片上之外，F(xiàn)PGA廠商開(kāi)始積極與處理器(核)廠商合作推出集成了FPGA的處理器平臺(tái)產(chǎn)品。這種融合的趨勢(shì)出現(xiàn)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(duì)特定應(yīng)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。隨著電子產(chǎn)品推陳出新速度不斷加快，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(zhàn)。半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)玩家們最終共同認(rèn)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(tái)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+專用IP+可編程架構(gòu)成為芯片融合的主要架構(gòu)。

　　Misha Burich指出，在芯片融合的方向上，F(xiàn)PGA具有天然的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镕PGA本身架構(gòu)非常清晰，其生態(tài)系統(tǒng)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(yàn)。Altera已經(jīng)和業(yè)內(nèi)各個(gè)CPU核廠商展開(kāi)了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel，推出了混合系統(tǒng)架構(gòu)的產(chǎn)品。

　　混合系統(tǒng)架構(gòu)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(zhàn)。多種不同架構(gòu)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(tǒng)支持上、DSP編程、基于C語(yǔ)言的編程工具及系統(tǒng)互聯(lián)方面都面臨很多難點(diǎn)需要克服。Misha Burich說(shuō)，系統(tǒng)支持環(huán)境對(duì)于融合的架構(gòu)來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。Altera公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)中有一半人是作芯片研發(fā)，另一半人專門(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(tǒng)的編程環(huán)境的建設(shè)。

　　有兩項(xiàng)技術(shù)屬于混合系統(tǒng)架構(gòu)的支撐性技術(shù)。首先是OpenCL技術(shù)。OpenCL(全稱Open Computing Language，開(kāi)放運(yùn)算語(yǔ)言)是第一個(gè)面向異構(gòu)(也就是混合架構(gòu))系統(tǒng)通用目的并行編程的開(kāi)放式、免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)統(tǒng)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類型架構(gòu)以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂(lè)、科研、醫(yī)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(duì)FPGA編程。它是一個(gè)開(kāi)放的架構(gòu)，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(shù)據(jù)管理功能，對(duì)產(chǎn)品上市時(shí)間和效能具有積極的影響。

　　另外一項(xiàng)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(dāng)中，通過(guò)襯底進(jìn)行管芯連接。混合系統(tǒng)架構(gòu)是異構(gòu)的系統(tǒng)，將具有不同架構(gòu)的處理器核封裝在一起是很有難度的事情。但用戶和應(yīng)用要求必須將異構(gòu)系統(tǒng)集成到一個(gè)封裝中，這意味著要混合和匹配芯片IP，集成設(shè)計(jì)流程和集成系統(tǒng)測(cè)試方法，封裝在一起可以提高系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)功耗，更小的封裝會(huì)具有更低的系統(tǒng)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(gòu)測(cè)試芯片。Altera還與IMEC(一家比利時(shí)的研發(fā)機(jī)構(gòu))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(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估小間距TSV(硅通孔)、開(kāi)發(fā)小間距微凸塊等。

　　嶄新應(yīng)用

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

　　FPGA創(chuàng)新的腳步還在繼續(xù)，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