深亚米时代开启处理器与FPGA融合之路

　　深亚微米时代，处理器和FPGA跟随摩尔定律沿着各自的路径向前发展，少有交集。处理器不断加强运算能力，并充分利用新增加的并且越来越小的晶体管不断完善外围功能，走上单片集成的道路。FPGA则通过工艺技术的进步增大自身容量降低功耗，把预处理运算、接口电路等吸收进了FPGA。

　　对于既需要处理能力又需要灵活性的系统，CPU+FPGA这样的解决方案早年前就被提出并付诸实践，如今比比皆是。虽然近几年Xilinx和Altera也一直致力于推进自己的软核Nios和MicroBlaze，而且Xilinx在其Virtex系列产品中嵌入了PowerPC硬核，但市场反应都不太强烈。

　　摩尔定律持续有效，半导体工艺技术步入深亚纳米时代，为处理器和FPGA的融合提供了无限可能。Intel于2010年11月发布的凌动E600 C系列，即原研发代号为“Stellarton”的可配置凌动处理器，把凌动E600处理器和Altera的FPGA集成到一个多芯片封装之中，开启了处理器和FPGA融合的新时代。

　　随着工艺技术的不断进步，从65 nm、40 nm进入28 nm，ASIC和ASSP厂商遭遇了设计流程复杂、良率降低、设计周期过长，特别是研发制造费用剧增等难题。据了解，做一个28 nm ASIC芯片所需的研发费需要5 000万～6 000万美元，比40 nm时的研发费用增加了40%。正如赛灵思亚太区销售及市场总监张宇清先生所说：“10年前，半导体领域比较领先的是CPU厂商，他们会带领某一个工艺向前跨步。现在FPGA厂商已经跑到了前面。从40 nm开始有这个端倪，在28 nm，我们的代工厂发现FPGA厂商最先采用这些先进工艺。”这些都为FPGA厂商在成功立足通信领域后瞄准嵌入式领域的新蓝海提供了无限可能。

　　在28 nm工艺节点，Altera和Xilinx都不约而同地在其新产品中集成双核ARM Cortex-A9处理器。此集成与Intel E600集成Altera FPGA从硬件架构层面没有太大不同，但实质相去甚远。Intel是把CPU的裸片和FPGA的裸片封装在一起，给穿了层塑料外衣。FPGA厂商则是在FPGA中嵌入处理器，FPGA与处理器之间通过AXI总线互联，最高可达125 b/s的互联带宽。

　　为什么FPGA厂商都会选择ARM？处理器厂商是否会在下一代处理器中嵌入FPGA？Altera公司产品及企业市场副总裁Vince Hu先生告诉笔者，在FPGA中嵌入处理器远比在处理器中嵌入FPGA容易，第一是ARM的授权IP模式提供了处理器的授权，FPGA厂商不会授权IP（当然，如果某一天Achronix宣布把其FPGA的IP开放给Intel，想必业内一定不会奇怪。）；第二是工具，针对FPGA的开发工具相对复杂，不是一时可以开发出来。

　　FPGA两巨头都瞄向了嵌入式处理器领域，却采用了不同的策略。Altera是在其久负盛名的Cyclone V和Arria V系列下增加了SoC FPGA；Xilinx干脆创立一个新的产品系列Zynq。虽然产品略有不同，宣传策略大有不同，但关注的应用领域却都在能源和工业、高清晰视频处理、通信基础设施和计算机和存储应用，甚至连价格都定在批量15美元，并且都宣称最大的对手是Intel等处理器厂商。

　　面对Xilinx的嵌入式处理器Zynq系列，Altera的Vince Hu列出了互联带宽、工艺模式等几大不同。不管两家如何争斗，工程师确实享受到了技术进步的乐趣。上海晶奥信息科技有限公司技术经理吴厚航说：“单片集成了CPU的FPGA单从硬件架构层面来看，好像没有太大的优势，仅仅只是二合一而已。但是真正做过系统开发的工程师都知道，这种二合一所带来的不仅仅是BOM成本降低和布局的简化，更多的改变是我们肉眼看不到的软硬件底层衔接的优化和无形之中的灵活性以及潜在的性能提升。”

　　以Altera最新发布的SoC FPGA为例，它提高了系统性能，4 000 DMIPS时功耗不到1.8 W，高达1 600 GMACS、300 GFLOPS的DSP；降低了功耗，相对两芯片解决方案，功耗降低了30%；减小了电路板面积，外形封装减小了55%，只有两种电源；降低了元件成本、PCB复杂度和成本从而大大降低系统成本。

　　对于未来，FPGA厂商信心满满。Vince Hu说：“在嵌入式调查里发现接近45%的嵌入式设计人员，计划在下一代的嵌入式设计里面使用FPGA来实现其可编程的功能。还有就是Altera的FPGA付运记录里面发现超过35%的FPGA项目利用了其Nios软核。未来两三年中，预期超过50%嵌入式系统里面会用上FPGA 。”