引言

　　集成了 FPGA 架構、硬核 CPU 子系統以及其他硬核 IP 的半導體器件 SoC FPGA 已經發展到了一個“關鍵點”，它在今后十年中會得到廣泛應用，為系統設計人員提供更多的選擇。對于在 FPGA 上開發的系統，這些 SoC FPGA 完善了十多年以來的軟核 CPU 以及其他軟核 IP。各種技術、商業和市場因素相結合推動了這一關鍵點的出現，Altera、Cypress ®半導體、Intel ®和 Xilinx ®公司等供應商都發布或者開始發售 SoC FPGA 器件。

　　這一關鍵點的主要推動因素包括：

　　過渡到并行和多核處理，以提高功效。

　　FPGA成為前沿的新半導體工藝技術

　　嵌入式系統中越來越多的使用了FPGA

　　摩爾定律的經濟現實

　　CPU在體系結構上的增強

　　隨著SoC FPGA時代的來臨，系統設計人員在選擇這些器件時需要考慮以下關鍵策略問題：

　　哪些器件會經歷“平臺效應”，使得供應商、輔助支撐系統以及用戶之間出現 “自我增強循環”?

　　哪些器件能夠在多種選擇中支持IP重用?

　　哪些FPGA技術能夠最大限度的降低成本，提高性能 ?

　　SoC FPGA 的關鍵點

　　業界集成FPGA和CPU系統在第一個十年發展中既有成功也有失敗。最初的SoC FPGA在商業上并不是很成功 (2)，而 FPGA 中的軟核 CPU 得到了廣泛應用 (3)，這表明市場對FPGA和CPU技術集成有基本的需求。各種新的因素改變了業界環境，導致關鍵點的出現，SoC FPGA將在市場上獲得非常廣泛的應用。

　　推動業界這一關鍵點出現的關鍵因素包括：

　　計算功效

　　FPGA 過渡到前沿工藝技術

　　FPGA 在嵌入式系統中的應用

　　摩爾定律的經濟現實

　　CPU 在體系結構上的增強

　　計算功效

　　計算的發展趨勢是并行處理，近期集中在處理器從高成本的單核處理發展到多核實現上 (4)。在提高計算性能的同時降低功耗，這促使人們采用 FPGA邏輯作為CPU的硬件加速器。(5)

　　一個 SoC FPGA 系統提高了功效，實現了靈活的軟件劃分。SoC FPGA 支持數百路數據信號連接不同的功能區，實現每秒100-gigabits (Gbps) 帶寬，甚至更大的帶寬，其延時在納秒級，性能和延時比分立器件要高幾個數量級。而且，單個集成平臺支持存儲器控制器的共享，寬帶存儲器可以訪問硬件加速器。

　　性能的提高以及存儲器訪問功能支持采用 FPGA來實現功能更強的加速器，以滿足各種各樣的計算要求。由于硬件加速器在功效上要比 CPU 高 1，000 多倍，因此，與簡單的多核并行方法相比，采用 SoC FPGA 進行設計是實現高功效計算較好的方法。

　　FPGA過渡到前沿工藝技術

　　在 2000 年，最新的 FPGA 采用了 130-nm 工藝技術進行開發，而目前的 CPU 采用的是90-nm 工藝技術。由于有更高級的 CPU，因此，第一代 SoC FPGA 的推出有些滯后。然而，當今的前沿FPGA采用28-nm工藝技術，相對而言只有很少的商用 CPU或者ASSP使用了這一工藝技術，當然在今后有可能使用該技術。FPGA在工藝技術上的優勢明顯增強了這些集成器件的市場潛力，供應商也傾向于在這方面加大投入，這是因為設計人員不需要在 CPU性能上作出犧牲，如圖1 所示。

　　圖 1.FPGA 過渡到前沿工藝技術FPGA在嵌入式系統中的應用

　　在2000年，對于大部分嵌入式系統應用，FPGA還是相對比較昂貴的器件，結果，與相應的 CPLD 或者 PAL 相比，其應用相對較少。然而，在過去十年中，基于 SRAM 的 FPGA在降低成本上超越了 CMOS，由此，EE Times年度嵌入式調查表明，接近50%的嵌入式系統采用了FPGA。(6) SoC FPGA 最顯著的優勢是成本比分立器件低很多，芯片供應商有很大的市場機會來獲得投資回報。

　　摩爾定律的經濟現實

　　摩爾定律顯得越來越 “昂貴”。開發高級 CMOS半導體的制造設施成本大約在60億到10億美元 (7)。 由于需要 4千萬美元的成本來開發新半導體器件 (8)，因此，在典型的利潤模型中，半導體器件應能夠獲得1億美元的毛利潤，20%的收益要花在研發上。典型的毛利潤是 50%時 (9) ，企業至少要占據2億美元的市場份額。除了消費類電子、移動電話和PC之外，很少有能夠達到這一規模的應用市場，因此，單一目的或者固定功能的器件很難獲得投資回報。在今后的工藝技術中，高級半導體的成本會越來越高，這一成本結構使得開發固定功能半導體器件很難獲得較好的經濟回報，這表明在可編程邏輯技術上的投入會越來越多，而專用 ASSP和CPU等固定功能器件的投入會越來越少。SoC FPGA有潛力應用于很多市場領域，將會獲得更多的投入。

　　CPU在體系結構上的增強

　　嵌入式處理這一術語涵蓋了多種應用，從對成本非常敏感的4位處理器到非常復雜的多核64位處理器。相似的，這種廣泛的應用一直支持各種類型的處理器、操作系統和軟件供應商。與2000年相比，這種廣泛性在2011年表現出很大的不同。對于其規模和多樣性而言，嵌入式市場總體上向速度更快、功能更強的處理器發展;例如，16位微控制器逐漸被32位CPU替代。同時，四種應用最廣泛的體系結構進一步增強了對32位 CPU 系列的支持，這些體系結構包括：ARM ®、MIPS ®、PowerPC ™和 x86。之所以對其進行增強，主要是因為軟件特性和功能重用 (10)。結果，采用了這些 CPU體系結構之一的SoC FPGA能夠占據更大的市場，因此，供應商更愿意在這類半導體上加大投入。

　　平臺效應

　　生產商、用戶和輔助支撐系統在產品上彼此之間會有影響時，就會出現網絡效應 (11)，或者稱為平臺效應。平臺效應的基本原理是某一種產品或者標準的應用越多，它在用戶基礎和輔助支撐系統中的價值就越高。結果，用戶基礎和輔助支撐系統就會在這種技術上加大投入，從而吸引更多的應用，產生一種自我增強的良性循環。熟悉的例子包括PC (12)、視頻記錄格式 (13) 和社交網站等。

　　一般而言，有可能產生自我增強循環的產品將會在這種循環中不斷發展，這是因為參與到新產品中的所有成員都會獲得較高的 ROI。平臺一旦開始啟動后，它會吸引更多的投入，活躍的市場很快就會轉向這一標準。

　　SoC FPGA 極有可能看到這種平臺效應。隨著 SoC FPGA 的不斷發展，用戶將非常愿意重新使用他們在多種系統中使用過的 FPGA IP 和設計軟件。例如，CPU 輔助支撐系統中的成員愿意盡可能少的去學習 FPGA開發工具，而 CPU供應商則希望減少 FPGA開發工具的數量。結果，支持多家供應商和 CPU體系結構的SoC FPGA平臺很有可能觸發這種平臺效應，幫助這些用戶和輔助支撐系統成員獲得很大的優勢。

　　Altera 的方法

　　Altera在嵌入式系統上進行了多年的創新投入后，已經啟動了“嵌入式計劃”，目的是建立一個基于一種 FPGA設計流程方法的多家供應商、多 CPU 體系結構 SoC FPGA 平臺。FPGA設計流程方法可以用作多種 SoC FPGA的基礎，以及使用軟核CPU和其他軟核IP 的 SoC 解決方案。可以從 Altera 獲得 ARM ( 硬核 )、MIPS ( 軟核)和Nios® II (軟核 ) CPU，而 Atom E6X5C 可配置處理器由 Intel 提供。這種集成方法在一種 FPGA 體系結構和設計流程中統一了三種主要的CPU體系結構以及最流行的基于FPGA的軟核CPU。

　　推動創新

　　FPGA設計流程集成方法旨在激勵輔助支撐系統從主要處理器體系結構轉向投入單一FPGA平臺和工具流程，從而帶來豐富的工具、應用軟件、操作系統軟件和專業知識支持。隨著數百家全球輔助支撐系統成員在 CPU體系結構上的投入，這一FPGA平臺及其越來越多的工具、軟件和IP應用越來越廣泛，對系統設計人員越來越重要，表明其價值定位將促進應用，從而推動了良性平臺循環。

　　提供功能強大的工具和 IP

　　這一多供應商平臺的關鍵組成是對 FPGA 邏輯進行編程的 Quartus ® II 軟件流程。除了這些優點 (14)，Quartus II 軟件還包括 Qsys 系統集成工具，它采用了 Altera 的第二代交換架構技術，用于加速軟核 IP 的開發、重用和集成?；?GUI 的 Quartus II 軟件有免費的網絡版和擁有完全許可的版本，其設計流程包括系統設計和時序收斂方法、在系統驗證以及第三方EDA工具支持，滿足了效能和性能需求。

　　除了 Altera 傳統的 Avalon ®存儲器映射 (Avalon-MM) 接口和數據通路總線接口規范，Qsys還支持ARM AXI ™標準，可以采用自動的 “混合匹配”方法來集成基于Avalon的IP和基于AXI的 IP。Qsys支持您利用直觀快速的設計經驗，在通用平臺上方便的進行設計重用和在系統驗證，實現基于 ARM 和 Intel 的 SoC FPGA，以及 MIPS 和 Nios II 軟核 CPU SoC 實現。

　　定制 28-nm 系列器件

　　Altera 的 28-nm FPGA 系列器件是業界最全面的器件，針對用戶的各種設計需求進行定制 (15)。Altera為各種最終應用需求提供非常優異的FPGA體系結構和工藝技術——性能最好的高密度 Stratix ® V 器件，成本最優的大批量 Cyclone ® V 器件，以及在性能和成本上達到均衡的中端 Arria ® V 器件。全系列 SoC FPGA 受益于這種定制方法。

　　Altera 最新的 SoC FPGA 將含有基于 ARM Cortex-A9MP 內核的高級處理器模塊，如圖2所示：

　　圖 2.Altera SoC FPGA 體系結構

　　Altera SoC FPGA 體系結構在 ARM-Cortex A9 子系統中將含有多種硬核 IP，以及高性能多端口存儲器控制器，以提高存儲器帶寬。FPGA和 CPU子系統之間的寬帶低延時互聯將支持高性能應用和高效的FPGA硬件加速。高級內部交換架構將支持高效的數據吞吐量，以及高效能在系統觀察和調試。Qsys、Quartus II 軟件以及 ARM 聯絡社區軟件工具相結合后，這一器件將是一種性價比非常高的系統設計選擇，它利用標準工具流程提高了效能，支持新開發和驗證。

　　結論

　　SoC FPGA時代已經來臨。在關鍵經濟、技術和市場因素的推動下，這些器件達到了關鍵點，很多供應商已經發布了這些器件，或者開始發售。執行管理人員和系統規劃人員在評估系統解決方案時應認真考慮平臺效應、IP重用以及 FPGA工藝技術優勢。

　　Altera 與主要的 CPU 供應商 ARM、Intel 和 MIPS 合作，為 SoC FPGA 器件和軟核 CPU 解決方案提供公共FPGA平臺。這種合作關系能夠實現業界應用最廣泛的CPU體系結構及其輔助支撐系統，繼承相同的高級 FPGA設計流程，從而在這一平臺上增強了IP重用，提高了靈活性。這種集成方法實現了平臺效應，促進了這一平臺以及支持CPU及其輔助支撐系統的增長和發展。