FPGA:将融合进行到底

从最初胶合逻辑发家，到不断集成微处理器、DSP、专用IP等，FPGA迎来了其硅片融合的“黄金时代”——不仅拓宽了应用领域，承担起信号处理和数据运算的重要功能，还蚕食了ASIC、DSP等的市场份额。FPGA的发展史就是将“融合进行到底”的过程。在未来几年，3D封装和Open CL等关键支撑技术将使其迈上新台阶。

融合以兼顾灵活性和效率
FPGA是硬件可编程的，可通过与其他功能模块融合兼顾灵活性和效率。
这一发展脉络是大势使然，英特尔的一份关于灵活性与效率的报告显示，通用处理器或通用芯片因可用软件编写程序实现不同应用，具有很高的灵活性，它的问题是功效较低。而专用芯片ASSP或ASIC是专门针对某一应用固化的硬件，不可编程，虽具有低成本、高效率，但灵活性差。报告得出的结论是在系统中要兼顾灵活性和功效，最好的方案就是处理器与专用硬件相融合。“由于FPGA是硬件可编程的，因而可通过与其他功能模块融合兼顾灵活性和效率。”Altera公司资深副总裁兼首席技术官Misha Burich对《中国电子报》记者介绍说，“如FPGA集成了处理器，将为FPGA带来软件编辑的灵活性。同时，如果把ASIC跟ASSP的一些特性加入到FPGA中，又可为系统带来更高的功效、更低的成本。通过硅片融合，FPGA厂商已可提供收发器、接口控制器、存储器、内部总线结构的硬件架构，从而不断拓宽应用空间。”而FPGA业另一巨头赛灵思(Xilinx)打造的“All Programmable”平台就是硅片融合的“结晶”，它可将3D堆叠硅片互联技术、ARM处理器、DSP、存储器和诸多IP核等集于一体。
而在融合时代，FPGA厂商有天然的优势。Misha Burich提到，FPGA厂商了解FPGA的架构，如果没有FPGA的积累，一些芯片厂商尽管可以去实现硅片融合，但他们只能做到在处理器上加入一些硬核IP，灵活性不高。
而在迎接硅片融合的时代，还需要厂商提供相应功能模块的支撑技术。Misha Burich就表示，Altera公司在这些方面都有相应的积累。比如集成处理器，可为客户提供自有的Nios 2软核处理器以及ARM处理器、MIPS、ColdFire处理器、Atom等。在ASIC方面，可提供HardCopy产品，能为客户提供嵌入式ASIC方案。在ASSP方面，Altera会提供解决方案，同时会有一些IP。在DSP部分，Altera可提供浮点运算、可变精度的DSP模块。

软件至关重要
FPGA厂商需要提供涵盖综合/仿真/时序分析、系统互联等在内的开发环境。
然而，硅片融合使FPGA产生的混合系统架构对于开发环境的要求也在走高，单单做芯片已经远远不够，更多更复杂的软件开发工作“如影随形”。“FPGA厂商需要提供涵盖综合/仿真/时序分析、系统互联、基于C语言的编程工具、DSP编程、嵌入式软件工具在内的开发环境。”Misha Burich指出。
为让客户能够高效地使用芯片，提高易用性和投入产出比，Altera公司也投入了巨大的力量。Misha Burich透露，公司有50%的员工在做软件开发，一部分自己开发，一部分会和第三方合作。针对如此复杂的混合系统开发环境，Altera公司已经练就了一一化解的“招数”。
Misha Burich介绍指出，在综合、方针及时序分析方面，有传统的QuartusII;在片上互连方面，有Qsys工具。在基于C语言的编程工具上，可通过C语言，用Open CL的编译器来对FPGA进行编程。Open CL(开放运算语言)是第一个面向异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。在DSP编程方面，通过与The MathWorks合作，可以通过SoPC Builder下的DSP Builder提供给客户。同时在嵌入式的软件工具及OS支持方面，由于Altera有最强大的处理器组合，可通过他们的第三方开发工具，获得对FPGA的开发支持。
为让客户能够充分利用全新“All Programmable”器件的系统集成能力，赛灵思也倾力打造了全新Vivado设计套件。赛灵思全球高级副总裁兼亚太区执行总裁汤立人表示，Vivado设计套件不仅能加速可编程逻辑和IO的设计速度，还突破了可编程系统集成度和速度两方面的重大瓶颈，将设计生产力提高到同类竞争开发环境的4倍。

3D封装成关键支撑技术
FPGA融合架构的演进还将持续，3D封装和Open CL将是关键支撑技术。
未来几年，FPGA融合架构的演进还在持续，而这需硬件和软件的“鼎力相助”。Misha Burich指出，3D封装和Open CL将是关键支撑技术。
日前，Altera宣布采用TSMC的CoWoS(基底晶圆芯片生产)技术，开发出全球首颗能够整合多元化技术的3D IC测试芯片。Misha Burich表示：“此项创新将模拟、逻辑及内存等各种不同芯片技术堆栈于单一芯片上组合而成，极大地提高了系统性能，在更小封装的基础上大幅降低系统功耗和成本。”
赛灵思也于日前宣布正式发货全球首款3D异构All Programmable产品Virtex-7 H580T FPGA ，可提供多达16个28Gbps收发器和72个13.1Gbps收发器，也是唯一能满足关键Nx100G和400G线路卡应用功能要求的单芯片解决方案。
但Misha Burich同时指出，3D封装技术比硅片融合更深入，它把不同的技术或者不同的管芯封装在一个系统中，而硅片融合其实是把不同的技术放在一个管芯上。3D技术还面临复杂度、散热、成本和良率等问题，真正普及还需要时间。
而在利用OpenCL编程FPGA方面，Misha Burich称Altera已开发出一款处于原型阶段的软件工具，它能在FPGA上完成获取OpenCL代码、编译等工作，且具有足够好的性能，可加快产品上市。