FPGA的未来：通用平台？

 

　　近一段日子，经常听到业内人士对电子行业这半年来的负面评价。通信业行业的不景气，使许多半导体公司的股票都在下跌，消费类电子市场虽然，但其竞争的残酷性导致半导体公司费尽心血但利润极低。通过调整、整合、收购、分离等方式，更加专注在自己更擅长的领域，是半导体公司摆脱困境的主要方式。我们可以看到很多这样的例子，ADI将手机业务卖给了联发科，表示专注在模拟和DSP领域；LSI合并Agere并分离自己消费业务，也是进一步加强和专注在网络通信方面的实力；近从TI内部人员那得知，TI未来的重点也将放在模拟技术方面，毕竟这块的利润更丰厚些。FPGA拥有灵活的可编程特性和强大的并行处理能力，但是相应地，体积庞大价格昂贵也是其软肋。不过现在我们再仔细看看Xilinx、Altera等FPGA厂商的产品线以及他们的客户列表，我们不难发现，FPGA已经由原来的电信等领域开始逐渐向HDTV、消费电子（高端）、医疗电子……更广泛的领域渗透了。

　　自1990年以来，FPGA的逻辑容量已经增长了近200倍，同时功耗和成本分别降低了50和500倍。另外，除了集成更多的可编程逻辑单元之外，FPGA更是集成了越来越多的硬核IP，包括高速以太网模块、串行收发器、DSP、嵌入式处理器……FPGA正在朝着SoC的方向发展。有趣的是，传统DSP和MCU亦是朝着这个方向在迈进，三者终于开始接壤。笔者这么说并不是说三种产品今后将是你死我活的竞争态势，从某种意义上来讲三者应该是相互配合甚至融合，而他们的终发展趋势则就是SoC。

　　这种片上高度集成只是一个前兆，也可以说为了发展SoC而作的技术积累。Xilinx公司副总裁兼技术官Ivo Bolsens表示，“利用系统级封装技术（SiP）实现‘虚拟SoC’将是未来一种革命性的发展趋势。”所谓虚拟SoC即是指，在同一个封装上面集成传感器、处理器、存储器、通用I/O、高压I/O等器件，以替代带有固化IP的大芯片。不同于单一芯片架构，该架构是采用多个裸片，每种器件都可以使用适合自己的工艺，以降低成本、功耗和体积。而FPGA平台则可能就会成为一个标准的、虚拟的SoC平台来应用。

　　基于FPGA的嵌入式系统EDA平台

　　如果真如上文所说的，FPGA终有一天发展成像PCB一样了，那么没有相应的EDA工具，我们很难想象这样的嵌入式系统如何来实现。在与FPGA厂商的多次接触当中，他们无不强调一点，那就是FPGA厂商对于开发工具的投入往往是巨大的。比如Xilinx在这方面的投入已经累计高达20亿美金。而FPGA要想发展为一个通用型平台的话，丰富的工具支持将是必不可少的必要条件之一。

　　● Xilinx推出业界应用广泛设计套件ISE 9.1i：

　　新版本专门为满足业界当前面临的主要设计挑战而优化，这些挑战包括时序收敛、设计人员生产力和设计功耗。除了运行速度提高2.5倍以外，ISE 9.1i还新采用了SmartCompile 技术，因而可在确保设计中未变更部分实施结果的同时，将硬件实现的速度再提高多达6倍。同时，ISE 9.1i 还优化了其65nm Virtex-5 平台独特的ExpressFabric技术，可提供比竞争对手的解决方案平均高出30%的性能指标。对于功耗敏感的应用， ISE 9.1i还可将动态功耗平均降低10%。

　　● Altera发布Quartus II 软件7.2，延续效能优势：

　　对于FPGA、CPLD以及结构化ASIC设计，Quartus II 7.2是性能和效能首屈一指的设计软件。随着7.2版的进展，与高端65nm竞争FPGA相比，Quartus II 软件和Stratix III FPGA现在具有两个速率等级优势，而且编译时间快3倍。此外，7.2版还首次实现了FPGA供应商对64位Windows Vista的支持。在7.2版，Quartus II 仍旧是由FPGA供应商提供的、惟一支持多处理器（例如，Intel的Core 2 Duo和AMD的Athlon 64×2）的软件，充分利用了当今的双核和多核计算机。

　　● Actel发布Libero IDE v8.1版本，助力便携式设计：

　　为了扩展其业界的专门针对芯片级和系统级节省功率的解决方案，Actel公司宣布推出全新版本Libero集成设计环境（IDE），具备崭新的重要功能包括功率驱动布局，使设计人员得以进一步优化设计，并可减少典型设计的动态功耗达30%。通过在Libero的SmartPower工具中内置先进的功耗分析功能，这个强化的分析环境将可首次让用户在设计的所有功能模式下深入了解其功率应用。此外，便携产品设计人员更可透过其创新的电池寿命评估功能，以其FPGA设计的功耗曲线为基础，计算出电池寿命 — 这是首次在现场可编门阵列 （FPGA） 设计工具中实现的功能。

　　● Altium：

　　耗资上亿美元花了3年时间收购Tasking，并于2004年开发推出Nexar 2004的EDA平台。该平台包含多种设计导入方式，集成了VHDL仿真和合成，包含了各种处理器内核的大型免使用费IP库，集成了嵌入式软件设计工具。该软件的推出对IC设计普遍化有着特别的意义。它提供了软硬件协同设计的EDA平台，集设计，验证，测试综合于一体，支持双屏CRT，是基于PCBFPGASoC的EDA工作站，为嵌入式系统多CPU核设计提供了实现手段，消除了PCB设计中信号完整性、EMC、来自不同厂商的SMD器件的封装、测试、订货、缺货等困扰，提升了效率，此外，它基于FPGA实现用户可重构的SoC（上市速度快，生命周期长）。

　　目前嵌入式系统开发当中，软件开发速度尚跟不上硬件，而硬件电路设计跟不上半导体工艺发展速度。因此才有通过提供优质FPGA把更多的应用设计空间和系统开发留给其他嵌入式系统设计者的可能，而要完成这个设计，基于FPGA的嵌入式系统EDA平台的建设就变得必不可少了，可以预见我们将进入一个嵌入式系统软核设计时代。

　　FOGA简介

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

　　结语

　　得益于半导体技术的高速发展，FPGA正努力遵循着摩尔定律稳步地壮大着自己的实力。FPGA的从业者在这个发展当中看到了更多意想不到的创意和可能，于是他们一方面在不断地提高性能和降低成本与体积，一方面也在探索着其他领域或者方向的发展可能。也许有一天，谁家的技术更先进之争已无意义，而更多比较的是哪家厂商更好地与其他厂商合作，市场需要双赢甚至多赢的。而FPGA要成为一个平台，前面要走的路似乎还太长太曲折，不过我们有理由相信，也许在不久的将来，我们可以在大部分的电子设备当中发现FPGA的踪影。"FPGA终将成为嵌入式系统的心脏，而中国是FPGA技术潜力的市场，在中国建立FPGA产业的生态系统意义重大，势在必行。" Bolsens先生强调道。