FPGA走向硅片融合时代

对FPGA这种特殊芯片产品的认识开始于10年前对Altera公司的认识。Altera公司独特的严谨气质与FPGA这种芯片非常契合。多年来跟踪报道Altera在FPGA技术上的不断创新，加之后来有机会结识赛灵思公司，两家业内翘楚的针锋相对与惺惺相惜，使我对FPGA整个体系架构的演进过程有了比较全面的理解。前段时间，有机会与Altera公司CTO、资深副总裁Misha Burich先生交流FPGA业界发展趋势，使得自己对FPGA技术发展的理解愈加清晰和深刻。

FPGA体系架构演进

FPGA兴起于上世纪90年代，最初是作为替代胶合逻辑的产品，整个90年代，FPGA市场发展迅速。FPGA不断攀登更高的工艺水平，以此来提高性能和降低成本，从而拉近与传统ASIC在成本上的巨大差距，更充分发挥其灵活的优越性。终于在40nm工艺水平时，FPGA通过Altera的Hardcopy技术实现的芯片与130nm的ASIC在芯片面积和成本上完全接近。

在不断攀升工艺水平的同时，FPGA在自身架构上也在不断进行创新。一方面，FPGA内的逻辑单元数量几十倍地增长，另一方面，FPGA内集成了越来越多的功能单元和IP，如ALM、RAM、XCVR、PLL、DSP等等。多功能模块的集成使FPGA扩展了应用领域，在通信基础设施、军事、测试测量、医疗等领域可部分取代传统的ASIC、DSP和ASSP。

硅片融合的趋势

进入2011年，整个半导体业界芯片融合的趋势越来越鲜明。比如，以DSP见长的TI、ADI相继推出将DSP与MCU集成在一起的芯片平台，而以做MCU平台为主的厂商也推出了在MCU平台上集成DSP核的方案。在FPGA业界，这个趋势更加明显。除了DSP核和处理器IP早已集成在FPGA芯片上之外，FPGA厂商开始积极与处理器（核）厂商合作推出集成了FPGA的处理器平台产品。这种融合的趋势出现的根本原因是什么呢？

这还要从CPU、DSP、FPGA和ASIC各自的优缺点说起。通用的CPU和DSP软件可编程、灵活性高，但功耗较高；FPGA具有硬件可编程的特点，非常灵活，功耗较低；ASIC和ASSP是针对特定应用固化的，不可编程，不灵活，但功耗很低。这就牵涉到了一个矛盾：灵活性和效率的矛盾。随着电子产品推陈出新速度不断加快，对产品设计的灵活性和功耗效率要求越来越高，怎样才能兼顾灵活性和功效，这是一个巨大的挑战。半导体业内玩家们最终共同认可了一点：芯片的融合。将不同特点的芯片集成在一起，让平台具备他们所有的优点，避免所有的缺点。因此，微处理器DSP专用IP可编程架构成为芯片融合的主要架构。

Misha Burich指出，在芯片融合的方向上，FPGA具有天然的优势。这是因为FPGA本身架构非常清晰，其生态系统经过多年的培育发展，非常完善，软硬件和第三方合作伙伴都非常成熟，此外，因其自身在发展过程中已经进行了很多CPUDSP和许多硬IP的集成，因此，在与其他处理器进行融合时，具有成熟的环境和丰富的经验。Altera已经和业内各个CPU核厂商展开了合作，如MIPS、Freescale、ARM和Intel，推出了混合系统架构的产品。

混合系统架构核心技术

芯片的融合是个完美的解决方案，但真正落实在行动上却面临很多技术上的挑战。多种不同架构的部分融合在一起，在综合、仿真和时序分析方面、嵌入式软件工具和操作系统支持上、DSP编程、基于C语言的编程工具及系统互联方面都面临很多难点需要克服。Misha Burich说，系统支持环境对于融合的架构来说显得尤为重要。Altera公司的研发团队中有一半人是作芯片研发，另一半人专门作编程支持工作。Misha Burich本人在EDA公司曾工作多年，作为CTO，他更加重视FPGA系统的编程环境的建设。

有两项技术属于混合系统架构的支撑性技术。首先是OpenCL技术。OpenCL(全称Open Computing Language，开放运算语言)是第一个面向异构（也就是混合架构）系统通用目的并行编程的开放式、免费标准，也是一个统一的编程环境，便于软件开发人员编写高效轻便的代码，而且广泛适用于多核处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及数字信号处理器(DSP)等其他并行处理器，在游戏、娱乐、科研、医疗等各种领域都有广阔的发展前景。OpenCL 原本是图形编译器，通过C语言，可利用该编译器对FPGA编程。它是一个开放的架构，支持编程人员使用Altera的硬件技术（FPGA芯片、Qsys、DSP-B、DSP-AB等），提供逻辑和数据管理功能，对产品上市时间和效能具有积极的影响。

另外一项关键技术是3D封装技术，将不同的技术和管芯放在一个封装当中，通过衬底进行管芯连接。混合系统架构是异构的系统，将具有不同架构的处理器核封装在一起是很有难度的事情。但用户和应用要求必须将异构系统集成到一个封装中，这意味着要混合和匹配芯片IP，集成设计流程和集成系统测试方法，封装在一起可以提高系统性能和降低系统功耗，更小的封装会具有更低的系统成本。Altera与TSMC合作，采用其CoWoS（基底晶圆芯片）技术（该技术仍属于2.5D封装技术），将制造和封装合并到一起，生产出Altera第一款异构测试芯片。Altera还与IMEC（一家比利时的研发机构）合作进行3D封装研究，并与其他合作伙伴在2.5D和3D工具以及技术上进行合作，包括影响标准、评估小间距TSV（硅通孔）、开发小间距微凸块等。

崭新应用

FPGA技术的不断创新和突破，以及硅片融合架构产品的推出，使之可以应用在许多以前不曾涉足的广阔领域。在计算领域，混合架构FPGA可用于服务器中进行硬件加速；在存储领域，混合架构FPGA可应用在固态硬盘当中，减少延时；在工业领域，混合架构FPGA可用于高能效的驱动器，和ARM处理器配合降低系统成本和功耗；在汽车中，SoC FPGA和ARM分工合作，实现视频监控，可实现车载辅助驾驶。

FPGA创新的脚步还在继续，相信未来还会带给人们更多惊喜。

Altera公司CTO资深副总裁 Misha Burich