Altera对新型SoC FPGA上的策略思考

　　集成了FPGA架构、硬核CPU子系统以及其他硬核 IP的半导体器件 SoC FPGA已经发展到了一个“关键点”，它在今后十年中会得到广泛应用，为系统设计人员提供更多的选择。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。

　　SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

　　随着SoC FPGA时代的来临，系统设计人员在选择这些器件时需要考虑以下关键策略问题：

　　·哪些器件会经历“平台效应”，使得供应商、辅助支撑系统以及用户之间出现“自我增强循环”

　　·哪些器件能够在多种选择中支持IP重用

　　·哪些FPGA技术能够限度的降低成本，提高性能

　　SoC FPGA的关键点

　　业界集成FPGA和CPU系统在个十年发展中既有成功也有失败。初的SoC FPGA在商业上并不是很成功，而 FPGA中的软核 CPU得到了广泛应用，这表明市场对FPGA和CPU技术集成有基本的需求。

　　推动业界这一关键点出现的关键因素包括： 计算功效 、FPGA过渡到前沿工艺技术 、FPGA在嵌入式系统中的应用、摩尔定律的经济现实 、CPU在体系结构上的增强。

　　计算功效

　　计算的发展趋势是并行处理，近期集中在处理器从高成本的单核处理发展到多核实现上。在提高计算性能的同时降低功耗，这促使人们采用FPGA逻辑作为CPU的硬件加速器。

　　一个SoC FPGA系统提高了功效，实现了灵活的软件划分。SoC FPGA支持数百路数据信号连接不同的功能区，实现每秒100-gigabits带宽，甚至更大的带宽，其延时在纳秒级，性能和延时比分立器件要高几个数量级。

　　性能的提高以及存储器访问功能支持采用 FPGA来实现功能更强的加速器，以满足各种各样的计算要求。由于硬件加速器在功效上要比 CPU高 1，000多倍，因此，与简单的多核并行方法相比，采用 SoC FPGA进行设计是实现高功效计算较好的方法。

　　FPGA过渡到前沿工艺技术

　　在 2000年，的 FPGA采用了 130-nm工艺技术进行开发，而目前的 CPU采用的是90-nm工艺技术。由于有更的 CPU，因此，代 SoC FPGA的推出有些滞后。然而，当今的前沿 FPGA采用 28-nm工艺技术，相对而言只有很少的商用 CPU或者ASSP使用了这一工艺技术。FPGA在工艺技术上的优势明显增强了这些集成器件的市场潜力，供应商也倾向于在这方面加大投入，如图1所示。

　　FPGA在嵌入式系统中的应用

　　FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

　　在2000年，对于大部分嵌入式系统应用，FPGA还是相对比较昂贵的器件，结果，与相应的 CPLD或者 PAL相比，其应用相对较少。然而，在过去十年中，基于 SRAM的 FPGA在降低成本上超越了CMOS，由此，EE Times年度嵌入式调查表明，接近50%的嵌入式系统采用了FPGA。

　　集成了 FPGA架构、硬核 CPU子系统以及其他硬核 IP的半导体器件 SoC FPGA已经发展到了一个“关键点”，它在今后十年中会得到广泛应用，为系统设计人员提供更多的选择。对于在 FPGA上开发的系统，这些 SoC FPGA完善了十多年以来的软核 CPU以及其他软核 IP。

　　这一关键点的主要推动因素包括：过渡到并行和多核处理，以提高功效；FPGA成为前沿的新半导体工艺技术；嵌入式系统中越来越多的使用了FPGA;摩尔定律的经济现实；CPU在体系结构上的增强。

　　随着SoC FPGA时代的来临，系统设计人员在选择这些器件时需要考虑以下关键策略问题：

　　·哪些器件会经历“平台效应”，使得供应商、辅助支撑系统以及用户之间出现“自我增强循环”

　　·哪些器件能够在多种选择中支持IP重用

　　·哪些FPGA技术能够限度的降低成本，提高性能

　　SoC FPGA的关键点

　　业界集成FPGA和CPU系统在个十年发展中既有成功也有失败。初的SoC FPGA在商业上并不是很成功，而 FPGA中的软核 CPU得到了广泛应用，各种新的因素改变了业界环境，导致关键点的出现，SoC FPGA将在市场上获得非常广泛的应用。

　　推动业界这一关键点出现的关键因素包括： 计算功效 、FPGA过渡到前沿工艺技术 、FPGA在嵌入式系统中的应用、摩尔定律的经济现实 、CPU在体系结构上的增强。

　　计算功效

　　计算的发展趋势是并行处理，近期集中在处理器从高成本的单核处理发展到多核实现上。在提高计算性能的同时降低功耗，这促使人们采用FPGA逻辑作为CPU的硬件加速器。

　　一个SoC FPGA系统提高了功效，实现了灵活的软件划分。SoC FPGA支持数百路数据信号连接不同的功能区，实现每秒100-gigabits带宽，甚至更大的带宽，其延时在纳秒级，性能和延时比分立器件要高几个数量级。单个集成平台支持存储器控制器的共享，宽带存储器可以访问硬件加速器。

　　性能的提高以及存储器访问功能支持采用 FPGA来实现功能更强的加速器，由于硬件加速器在功效上要比 CPU高 1，000多倍，因此，与简单的多核并行方法相比，采用 SoC FPGA进行设计是实现高功效计算较好的方法。

　　摩尔定律的经济现实

　开发 CMOS半导体的制造设施成本大约在60亿到10亿美元。由于需要4千万美元的成本来开发新半导体器件，因此，在典型的利润模型中，半导体器件应能够获得 1亿美元的毛利润，20%的收益要花在研发上。典型的毛利润是50%时，企业至少要占据2亿美元的市场份额。在今后的工艺技术中，半导体的成本会越来越高，这一成本结构使得开发固定功能半导体器件很难获得较好的经济回报，这表明在可编程逻辑技术上的投入会越来越多。

　　CPU在体系结构上的增强

　　嵌入式处理这一术语涵盖了多种应用，从对成本非常敏感的4位处理器到非常复杂的多核64位处理器。对于其规模和多样性而言，嵌入式市场总体上向速度更快、功能更强的处理器发展；同时，四种应用广泛的体系结构进一步增强了对32位 CPU系列的支持，之所以对其进行增强，主要是因为软件特性和功能重用。

　　平台效应

　　生产商、用户和辅助支撑系统在产品上彼此之间会有影响时，就会出现网络效应， 或者称为平台效应。平台效应的基本原理是某一种产品或者标准的应用越多，它在用户基础和辅助支撑系统中的价值就越高。结果，用户基础和辅助支撑系统就会在这种技术上加大投入，从而吸引更多的应用，产生一种自我增强的良性循环。

　　一般而言，有可能产生自我增强循环的产品将会在这种循环中不断发展，这是因为参与到新产品中的所有成员都会获得较高的 ROI。

　　SoC FPGA极有可能看到这种平台效应。随着 SoC FPGA的不断发展，用户将非常愿意重新使用他们在多种系统中使用过的 FPGA IP和设计软件。支持多家供应商和CPU体系结构的SoC FPGA平台很有可能触发这种平台效应，帮助这些用户和辅助支撑系统成员获得很大的优势。

　　Altera的方法

　　Altera 的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。

　　Altera在嵌入式系统上进行了多年的创新投入后，建立一个基于一种FPGA设计流程方法的多家供应商、多CPU体系结构SoC FPGA平台。FPGA设计流程方法可以用作多种 SoC FPGA的基础，以及使用软核 CPU和其他软核IP的SoC解决方案。这种集成方法在一种 FPGA体系结构和设计流程中统一了三种主要的CPU体系结构以及的基于FPGA的软核CPU。

　　推动创新

　　FPGA设计流程集成方法旨在激励辅助支撑系统从主要处理器体系结构转向投入单一FPGA平台和工具流程，从而带来丰富的工具、应用软件、操作系统软件和知识支持。随着数百家辅助支撑系统成员在 CPU体系结构上的投入，这一 FPGA平台及其越来越多的工具、软件和IP应用越来越广泛。

　　提供功能强大的工具和IP

　　这一多供应商平台的关键组成是对 FPGA逻辑进行编程的 Quartus. II软件流程。除了这些优点，Quartus II软件还包括 Qsys系统集成工具，它采用了 Altera的第二代交换架构技术，用于加速软核 IP的开发、重用和集成。基于 GUI的 Quartus II软件有的网络版和拥有完全许可的版本，其设计流程包括系统设计和时序收敛方法、在系统验证以及第三方 EDA工具支持，满足了效能和性能需求。

　　除了 Altera传统的 Avalon 。存储器映射接口和数据通路总线接口规范， Qsys还支持ARM AXI.标准，可以采用自动的“混合匹配”方法来集成基于Avalon的IP和基于 AXI的 IP。Qsys支持您利用直观快速的设计经验，在通用平台上方便的进行设计重用和在系统验证。

　　定制 28-nm 系列器件

　　Altera的 28-nm FPGA系列器件是业界的器件，针对用户的各种设计需求进行定制。Altera为各种终应用需求提供非常优异的FPGA体系结构和工艺技术——性能的高密度 Stratix. V器件，成本的大批量 Cyclone. V器件，以及在性能和成本上达到均衡的中端 Arria. V器件。

　　自二十年前发明世界上个可编程逻辑器件开始，Altera公司（NASDAQ：ALTR）秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。Altera结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权（IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势——灵活性、产品及时面市——和更性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。的SoC FPGA将含有基于ARM Cortex-A9MP内核的处理器模块，如图2所示：

　　Altera SoC FPGA体系结构在 ARM-Cortex A9子系统中将含有多种硬核 IP，以及高性能多端口存储器控制器，以提高存储器带宽。Qsys、Quartus II软件以及ARM联络社区软件工具相结合后，这一器件将是一种性价比非常高的系统设计选择，它利用标准工具流程提高了效能，支持新开发和验证。

　　结论

　　SoC FPGA时代已经来临。在关键经济、技术和市场因素的推动下，这些器件达到了关键点，很多供应商已经发布了这些器件，或者开始发售。执行管理人员和系统规划人员在评估系统解决方案时应认真考虑平台效应、IP重用以及 FPGA工艺技术优势。

　　Altera为 SoC FPGA器件和软核 CPU解决方案提供公共 FPGA平台。这种合作关系能够实现业界应用广泛的CPU体系结构及其辅助支撑系统，继承相同的 FPGA设计流程，从而在这一平台上增强了IP重用，提高了灵活性。