嵌入式闪存成就MAX 10 FPGA的系统价值

 30年的低成本创新

中国有句俗话叫“30年河东，30年河西”，Altera在1984年发布了第一款非易失PLD EP300器件，30年间，可编程器件在性能上不断发展甚至挑战摩尔定律，工艺技术也有了长足的进步，电子设计领域出现了很多替代品，而终端应用领域更是发生了翻天覆地的变化，这一定是PLD的发明者不曾想到的。最近一年，终端需求也使得芯片领域加速创新。就Altera来说，在过去6个月，其相继发布了3款足够“有料”的FPGA及SoC系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10，它们都是Altera在创新大潮中重磅推出的“第10代”(Generation 10)产品，也为Altera第4个十年打下了坚实的基础。

今天的主角是MAX 10，它早在定义之初就被封为“下一代非易失FPGA”，近日，Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生在北京与记者分享了将在10月1日正式开始提供的MAX 10 FPGA的一些特性，我们也来探究一下它是否真的“实至名归”。

图1 Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生

Patrick试图先用“老朋友”这个形象来拉近与中国的距离：“30年前，Altera就为中国提供低成本的可编程器件，中国市场逐渐成为Altera最重要的市场之一，例如，中国知名通信基础设施公司的产品逐渐把Altera的器件作为核心部件。”Altera这款新FPGA以本来为CPLD系列“头衔”的“MAX”来命名，也是想突出其延续了Altera可编程产品物美价廉的传统，而低成本的MAX 10所拥有的一些性能通常只有高端FPGA才具备。

系统级的集成

传统的FPGA系统(如电机控制或汽车娱乐系统)主要由32位处理器、FPGA、电源模块以及大量的外部模拟器件构成，32位处理器作为主处理器，FPGA做加速或者其他补充功能。Altera此次把大量的外围器件(包括振荡器、时钟、模数转换器、温度传感器等)集成到MAX 10中，而过去系统的核心32位处理器也可以用Altera的软核处理器Nios II来替代，这能够让电路板面积减小50%。需要指出的是，集成到FPGA的模拟器件(如12位SAR ADC)，其性能可以与单独的器件媲美，而集成到FPGA内部以后，不但减小了版级面积，还降低了物料成本，并片内系统监测和测量环境状态。Patrick还特意演示了MAX 10的模拟部分功能(请看文章结尾处视频)，他还爆料称：将来Altera还可能把电源系统也集成到FPGA内部。

图2 新旧FPGA系统对比图

嵌入式闪存提高系统价值

现在不管是处理器厂商还是FPGA厂商都在热衷于做“集成”，把更多的模拟部分、多个处理器集成到芯片中，这也促进了近几年SoC迅速发展。而“集成热”也导致了另一个问题：芯片差异化更加艰难，这也使得厂商需要从其他角度去探索如何差异化以提高系统价值。

Altera找到了很好的切入点——嵌入式闪存工艺。为什么嵌入式闪存事关重大呢?Patrick总结为4点：(1)降低了成本，因为减少了BOM并实现了更小的电路板面积;(2)降低了系统风险，因为要管理的供应商减少了，简化了PCB设计，并可以维持较长的产品生命周期;(3)失效安全远程更新，其能存储两个配置镜像，在远程系统更新的同时不影响系统本身的运行;(4)由于其瞬时接通配置和上电排序功能而提高了系统管理效率。MAX 10中的闪存(NOR)包括1个用户闪存和两个配置闪存。总所周知，闪存的功耗和成本对于芯片设计来说是一个挑战，MAX 10的功耗范围为100 mW(待机时)~1 W(运行在200 MHz时)，价格也是很低的。Patrick透露：MAX 10之所以可以实现低功耗和低成本，并且实现双配置闪存和用户闪存，除了芯片本身的设计优化，最重要的是采用了台积电(TSMC) 55 nm嵌入式闪存工艺。可惜的是，尽管双配置闪存这种功能很实用，但基于工艺差异，目前也不能推广到其他FPGA系列。

MAX 10的嵌入式处理功能也帮助其提高了系统价值。Patrick详细进行了讲解：(1)MAX 10是单芯片嵌入式处理器系统，有软核Nios II处理器支持、更小的引脚布局且不需要外部RAM或者存储;(2)用户可定制处理器，具有MCU所不具备的灵活性;(3)支持实时应用，在10 ms内完成配置，这点是汽车和工业应用特别看重的;(4)维持较长的产品生命周期。

图3 MAX 10内部架构图

目标应用升级

MAX 10 的目标市场主要有工业、汽车系统以及通信、计算和存储应用。在正式发布MAX 10前，Altera找了100名客户加入到了MAX 10 的早期使用计划，Patrick很高兴地谈到了中国的情况：“中国的早期使用客户集中在机器视觉和电机控制领域。MAX 10的双配置闪存和嵌入式处理功能，可以实现机器视觉中的失效安全远程更新(双配置中一个保持正常运转，一个用于更新)和运动控制处理，也可以保障电机控制应用中多个电机在10 ms内进行快速切换。例如，运动控制属于高性能控制，借助MAX 10内部的DSP，客户可编写精准的算法，而且车间的环境和要求会不断变化，用户通过改变算法就可以作相应调整，体现了FPGA的灵活性。”

3 mm×3 mm的小封装MAX 10成为空间受限系统的高效解决方案。针对汽车应用，MAX 10可以用于信息娱乐、辅助驾驶和电动汽车领域。例如，其瞬时接通配置与辅助驾驶的快速系统相应完美契合，其DSP可以实现电动汽车逆变器和转换器中的加速控制环。针对高级通信、计算和存储应用，其能够有效地管理复杂控制功能，同时进行系统配置、接口桥接、电源排序和I/O拓展。此外，鉴于现在客户都倾向于有了开发板才使用新的芯片，Altera此次不只是推出MAX 10芯片，还包括起价30美元的评估套件、软件、设计实例、培训和相关文档，这为工程师们节约了大量时间。

图4 芯片及开发板实物图

与工艺技术共同飞跃

一般来说，FPGA产品每次的更新换代都会让性能提高约15%，而Altera基于Intel 14 nm 三栅极工艺的Stratix 10比旧产品性能提高了2倍。我想这也代表着未来产品演进的趋势，从半导体厂商、行业公司到终端用户，整个生态链都不再满足于小的进步，而是大的跨越，甚至是颠覆，这个时代人的心境就是“躁动”的，其积极一面是推动了创新。基于TSMC 20 nm的Arria 10也被Altera定义为性能最好的20 nm FPGA和SoC。Patrick自豪地表示：“Altera与Intel和TSMC都保持了良好的关系，Altera与TSMC的紧密合作从战略来说对于中国也是非常重要的。还有一点是需要再次强调的，与TSMC合作的MAX 10是目前世界唯一一款基于55 nm嵌入式闪存工艺的FPGA。”这也体现了MAX 10的珍贵之处。

在新中国成立65周年之际推出MAX 10应该是Altera的有心为之，凭借这个“国庆大礼”的独特性能，相信能帮助Altera进一步拓展中国的工业、通信、计算和存储等市场。