SoC FPGA上的策略考虑

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引言

        　　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。各种技术、商业和市场因素相结合推动了这一关键点的出现，Altera、Cypress ®半导体、Intel ®和 Xilinx ®公司等供应商都发布或者开始发售 SoC FPGA 器件。

        　　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技术能够最大限度的降低成本，提高性能 ?

        　　SoC FPGA 的关键点

        　　业界集成FPGA和CPU系统在第一个十年发展中既有成功也有失败。最初的SoC FPGA在商业上并不是很成功 (2)，而 FPGA 中的软核 CPU 得到了广泛应用 (3)，这表明市场对FPGA和CPU技术集成有基本的需求。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 (4)。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。(5)

        　　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 (Gbps) 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。而且，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，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，最新的 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。由于有更高级的 CPU，因此，第一代 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，当然在今后有可能使用该技术。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，这是因为设计人员不需要在 CPU性能上作出牺牲，如图1 所示。

        　　

       

       

        　　图 1.FPGA 过渡到前沿工艺技术