SoC FPGA為一個整合FPGA架構、硬式核心CPU子系統(tǒng)以及其他硬式核心IP的半導體元件，可實現(xiàn)低延時頻寬互聯(lián)，并提高IP重用性；預估此類型元件在今后10年中將會得到廣泛應用，為系統(tǒng)設計人員提供更多的選擇。
整整合了現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)架構、硬式核心中央處理器(CPU)子系統(tǒng)以及其他硬式核心矽智財(IP)的半導體元件--SoC FPGA，已經發(fā)展到了一個“關鍵點”，它在今后10年中會得到廣泛應用，為系統(tǒng)設計人員提供更多的選擇。在各種技術、商業(yè)和市場因素相結合下，推動了這一個關鍵點的出現(xiàn)，Altera、賽普拉斯(Cypress)、英特爾(Intel)和賽靈思(Xilinx)等供應商，都相繼發(fā)布或開始銷售SoC FPGA元件 

本文章介紹新出現(xiàn)的SoC FPGA，背后的推動因素，以及執(zhí)行管理人員和系統(tǒng)設計人員在選擇這些元件時的考慮因素。 

業(yè)界整合FPGA和CPU系統(tǒng)在第一個10年發(fā)展中既有成功也有失敗。最初的SoC FPGA在商業(yè)上并不是很成功，而FPGA中的軟式核心CPU得到了廣泛應，這證明市場對FPGA和CPU技術整合有基本的需求。各種新的因素改變了業(yè)界環(huán)境，導致關鍵點的出現(xiàn)，SoC FPGA將在市場上獲得非常廣泛的應用。 

從FPGA朝向SoC FPGA發(fā)展，主要有幾個關鍵的推動因素，包括FPGA開始采用如28奈米(nm)之類的先進半導體制程技術，藉由摩爾定律實現(xiàn)更高成本效益；同時，CPU架構的增強，并過渡到平行和多核心處理，以及嵌入式系統(tǒng)采用FPGA的比率愈來愈高，亦有推波助瀾之效。 

運算功率效益大增

由于運算的發(fā)展趨勢是朝向平行處理技術，處理器亦從高成本的單核心處理，一直發(fā)展到現(xiàn)今的多核心。為了在提高運算性能的同時，也能降低功率消耗，促使一些廠商開始采用FPGA邏輯做為CPU的硬體加速器，帶動SoC FPGA發(fā)展風潮。 

一個SoC FPGA系統(tǒng)可提高功率效益，并實現(xiàn)靈活的軟體畫分。SoC FPGA可支援數(shù)百路資料訊號連接不同的功能區(qū)，實現(xiàn)100Gbit/s頻寬，甚至更大的頻寬，其延時在奈秒級，性能和延時表現(xiàn)都比獨立元件好，而且其整合平臺亦可提升記憶體存取功能。 

SoC FPGA性能提高以及記憶體存取功能實現(xiàn)功能更強的加速器，能夠滿足各式各樣的運算要求。由于硬體加速器在功率效益上要比CPU還高1,000多倍，因此，與簡單的多核心平行方法相比，采用SoC FPGA進行設計對開發(fā)人員而言，是實現(xiàn)高功率效益運算較好的方法。 

尖端制程技術加持　SoC FPGA兼具低功耗與高效能

如圖1所示，在2000年時，最新的FPGA采用了130奈米制程技術進行開發(fā)，而當時的CPU采用的是90奈米制程技術。由于市場上已有更高階的CPU，因此，第一代SoC FPGA的推出顯得有些落后。然而，當今最尖端FPGA已采用28奈米制程技術，相對而言只有少數(shù)商用CPU或者特定應用標準產品(ASSP)使用28奈米制程技術。FPGA的制程技術在整合元件的市場優(yōu)勢已明顯增強，而FPGA供應商也傾向于在SoC FPGA方面大量投入產品研發(fā)，這是因為該產品可讓客戶不需要在CPU性能與功耗上做出妥協(xié)。 

圖1 FPGA制程技術演進過程

FPGA于嵌入式系統(tǒng)應用日漸增長

過去對于大部分嵌入式系統(tǒng)應用，F(xiàn)PGA往往是客戶覺得較為昂貴的元件，也因此與相應的復雜型可編程邏輯元件(CPLD)或者可程式化陣列邏輯(PAL)相比，其應用相對較少。然而，在過去10年中，采用靜態(tài)隨機存取記憶體(SRAM)架構的FPGA在降低成本上已經超越了互補式金屬氧化物半導體(CMOS)，現(xiàn)今，已有接近50%的嵌入式系統(tǒng)采用了FPGA。而SoC FPGA最顯著的優(yōu)勢是成本可比獨立元件低很多，晶片供應商將會有很大的市場機會獲得投資回報。 

ASSP成本漸高　SoC FPGA有機可趁

摩爾定律在未來將顯得越來越“昂貴”。開發(fā)高階CMOS的制造設施成本大約在10億～60億美元，其中還需要4,000萬美元的成本來開發(fā)新的半導體元件，因此，在典型的利潤模型中，半導體元件應能夠獲得1億美元的毛利，而其中20%的收益須花在研發(fā)上。而當?shù)湫偷拿?0%時，企業(yè)至少要占據(jù)2億美元的市場份額。除消費性電子、行動電話和個人電腦(PC)外，事實上，很少有能夠達到這一種規(guī)模的應用市場，因此，單一目的或者固定功能的元件很難獲得投資回報。在今后的制程技術中，高階半導體的成本將會越來越高，這一種成本結構使得開發(fā)固定功能半導體元件很難獲得較好的投資回報，這代表著在可程式設計邏輯技術上的投入可望越來越多，而專用ASSP和CPU等固定功能元件的投入則會越來越少。SoC FPGA有潛力應用于很多市場領域，并將會獲得更多的投入。 

擴大應用市場　FPGA商采用CPU架構蔚為潮流 

嵌入式處理這一個術語其實涵蓋了多種應用，從對成本非常敏感的4位元處理器到非常復雜的多核心64位元處理器。這種廣泛的應用一直支援各種類型的處理器、作業(yè)系統(tǒng)和軟體供應商。與10年前相比，這種廣泛性在2011年表現(xiàn)出很大的不同，對于其規(guī)模和多樣性而言，嵌入式市場整體成長速度不但快，且處理器功能的發(fā)展亦日趨進步；例如16位元微控制器逐漸被32位元CPU替代。同時，四種應用最廣泛的架構進一步增強了對32位元CPU系列的支援，這些架構包括安謀國際(ARM)、MIPS、PowerPC和x86。之所以對其進行增強動作，主要是因為軟體特性和功能重用。而采用了這些CPU架構之一的SoC FPGA能夠占據(jù)更大的市場，因此，F(xiàn)PGA供應商更愿意在這類半導體上擴大投資。 

平臺效應加速SoC FPGA設計趨勢成形

生產廠商、使用者和輔助支援系統(tǒng)在產品上彼此之間會有影響時，就會出現(xiàn)網路效應，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，它在使用者基礎和輔助支援系統(tǒng)中的價值就越高。結果，使用者基礎和輔助支援系統(tǒng)就會在這種技術上加大投入，進而吸引更多的應用，產生一種自我增強的良性循環(huán)。熟悉的例子包括PC、視訊記錄格式和社交網站等。 [!--empirenews.page--]

一般而言，有可能產生自我增強循環(huán)的產品將會在這種循環(huán)中不斷發(fā)展，這是因為參與到新產品中的所有成員都會獲得較高的投資回報。平臺效應一旦開始啟動后，就會吸引各家廠商爭相投入，而SoC FPGA市場則很快就會轉向這一個標準。 

隨著SoC FPGA的不斷發(fā)展，用戶將非常愿意重新使用他們在多種系統(tǒng)中使用過的FPGA IP和設計軟體。例如，CPU輔助支援系統(tǒng)中的成員愿意盡可能減少學習FPGA開發(fā)工具，而CPU供應商也希望減少FPGA開發(fā)工具的數(shù)量。最終，支援多家供應商和CPU架構的SoC FPGA平臺很有可能觸發(fā)這種平臺效應，幫助這些使用者和輔助支援系統(tǒng)成員獲得很大的優(yōu)勢。 

以FPGA業(yè)者Altera為例，其在嵌入式系統(tǒng)上進行了多年的創(chuàng)新投入后，已啟動了“嵌入式計劃”，目的是建立一個可讓多家供應商采用同一種FPGA設計流程方法，并可使用多CPU架構的SoC FPGA平臺。 

FPGA設計流程方法可以作為多種SoC FPGA的基礎，以及使用軟式核心CPU和其他軟式核心IP的SoC解決方案。例如FPGA廠商可獲得ARM(硬式核心)、MIPS(軟式核心)和Nios II(軟式核心)CPU或者由英特爾提供的Atom E6X5C可配置處理器。這種整合方法可在一種FPGA架構和設計流程中，統(tǒng)一三種主要的CPU架構，以及最流行的、采用FPGA架構的軟式核心CPU。 

FPGA設計流程整合方法旨在激勵輔助支援系統(tǒng)從主要處理器架構，轉向投入單一FPGA平臺和工具流程，進而帶來豐富的工具、應用軟體、作業(yè)系統(tǒng)軟體和專業(yè)知識支援。隨數(shù)百家全球輔助支援系統(tǒng)成員在CPU架構上的投入，此一FPGA平臺及其越來越多的工具、軟體和IP應用亦日趨廣泛，對系統(tǒng)設計人員也越來越重要，證明其價值定位將促進更多應用，進而推動了良性平臺的產業(yè)生態(tài)。 

提高SoC FPGA設計效率　系統(tǒng)整合工具角色吃重

這一個多供應商平臺的組成關鍵，是可對FPGA邏輯進行程式設計的Quartus II軟體。Quartus II軟體包括Qsys系統(tǒng)整合工具，采用了Altera的第二代交換架構技術，用于加速軟式核心IP的開發(fā)、重用和整合。采用使用者圖形介面(GUI)架構的Quartus II軟體有免費的網路版和完全授權的版本，其可提供包括系統(tǒng)設計、時序收斂、系統(tǒng)驗證，以及協(xié)力廠商電子自動化設計(EDA)工具支援，進而滿足了效能和性能上的需求。 

除Altera傳統(tǒng)的Avalon記憶體映射(Avalon-MM)介面和資料通路匯流排介面規(guī)范，Qsys還支援ARM AXI標準，可以采用自動的混合匹配方法來整合采用Avalon架構的IP和采用AXI架構的IP。Qsys亦支援利用直觀快速的設計經驗，在通用平臺上可方便進行設計或者系統(tǒng)內驗證，進而實現(xiàn)采用ARM架構和Intel的SoC FPGA，以及實現(xiàn)采用MIPS和Nios II軟式核心CPU的SoC。 

客制化28奈米系列元件　強化產品競爭力

Altera的28奈米FPGA系列元件可針對用戶各種設計需求進行客制化，并可為各種終端應用需求提供適當?shù)腇PGA架構和制程技術，如高效能的Stratix V元件、低成本的Cyclone V元件以及在性能和成本上達到均衡的中階Arria V元件。全系列SoC FPGA皆受益于28奈米制程所帶來的優(yōu)勢。此外，如圖2所示，最新的SoC FPGA亦將含有采用ARM Cortex-A9架構核心的高階處理器模塊。 

圖2 Altera SoC FPGA架構

Altera SoC FPGA架構在ARM Cortex-A9子系統(tǒng)中，將含有多種硬式核心IP，以及高性能多埠記憶體控制器，以提高記憶體頻寬。FPGA和CPU子系統(tǒng)之間的寬頻低延時互聯(lián)，將支援高性能應用和高效率的FPGA硬體加速。高階內部交換架構將支援高效率的資料傳輸量，以及高效能在系統(tǒng)觀察和除錯。Qsys、Quartus II軟體以及ARM社群軟體工具相結合后，這一個元件將是一種性價比非常高的系統(tǒng)設計選擇，其可利用標準工具流程提高效能，支援新開發(fā)和驗證。 

在成本要求日趨嚴苛、制程技術成熟和市場需求增加的因素推動下，SoC FPGA時代已經來臨。目前已有些FPGA供應商發(fā)布了SoC FPGA相關產品，亦尚有許多廠商正在加緊腳步研發(fā)中。系統(tǒng)規(guī)畫人員在評估系統(tǒng)解決方案時，應該認真考慮平臺效應、IP重用以及FPGA制程技術優(yōu)勢，以選擇最佳的解決方案。 

此外，Altera與主要的CPU供應商ARM、Intel和MIPS合作，為SoC FPGA元件和軟式核心CPU解決方案提供公共FPGA平臺。這種合作關系能夠實現(xiàn)業(yè)界應用最廣泛的CPU架構及其輔助支援系統(tǒng)，繼承相同的高階FPGA設計流程，進而在這一個平臺上增強了IP重用，提高靈活性。這種整合方法將會實現(xiàn)了平臺效應，并且促進SoC FPGA以及其輔助支援系統(tǒng)的增長和發(fā)展。