硅晶片融合技术助力 SoC FPGA设计架构脱颖而出(二)

2013-05-13 19:58:27来源: 互联网 关键字:硅晶片  融合技术  SoC  FPGA
活用现场可编程门阵列

  现场可编程门阵列(FPGA)是系统设计人员的第三种方案(图1)。在很多方法中,FPGA一直是以软体为中心採用CPU架构的方法,与以硬体为中心的ASIC方法之间的一种做法。在FPGA中实现的演算法,并不像软体那么容易进行修改,但是修改FPGA配置要比投入生产新版ASIC容易得多,即使这种修改只是在几个金属层上。

  

  图1 现场可编程门阵列发展蓝图

  相反地,与在软体中运行任务相比,在FPGA中运行相同的任务会非常快,而且功率消耗也很低。但是FPGA通常要比相等价格的ASIC速度慢,功能效率也要低一些。

  因此,当一种仅採用软体的解决方案无法满足速度和功率消耗要求,无法找到能够突出产品优势的ASSP,或者使用ASIC不能满足预算要求,达不到预期的产量,无法支援往后的系统改动时,系统设计人员会转向採用FPGA。对于FPGA供应商,这种情况经常出现,在最近几年,FPGA的销售要比其替代方案好得多。

  在监控实例中,设计人员可以结合使用运行系统软体的工业标準微处理器,以及实现商用硅智财(IP)进行标準影像处理和订製设计DSP管线的FPGA。这样一来,FPGA中的设计在功能模组层级上类似于ASIC,而在闸级实现起来却是完全不同。

  针对任务选择最佳实现方法

  在理想情况下,系统开发人员不必在多种方法上进行选择。开发人员可以针对每个任务来选择最佳实现方法。可以在相应的CPU软体中实现很少改变而且不关键的任务。透过标準定义性能和功率消耗非常关键的任务,如此一来,这些任务不会改变,成为固定硬体。而有可能改变并且需要硬体支援的任务,则在FPGA可程式设计逻辑架构内实现。

  在过去的几个硅晶片製程世代中,这实际上是常用的方法。那时的整合度较低,微处理器、加速器、复杂介面控制器及FPGA都是独立的晶片。但是在90奈米(nm)製程世代,除了FPGA架构外,系统单晶片(SoC)包括这些所有功能,而且由SoC设计人员而不是系统设计人员来确定大部分实现方法。系统设计人员选择最合适的SoC,编写自己的软体,实现FPGA与SoC灵活的介面,进而突出产品优势。

  现在,情况又发生了变化。晶片开发人员能够使用大量的电晶体,支援FPGA的硅晶片融合。功能强大的微控制器增加专用硬体,因此它们看起来像是ASIC SoC。ASIC和ASSP能够含有功能强大的32位元CPU,因此看起来像高阶微控制器。新的SoC FPGA系列同时含有多核心CPU和专用硬体模组,契合实际需求,可支援系统设计人员根据不同的任务要求来选择软体、专用硬体或是可程式设计逻辑。

  设计人员可以採用这类融合晶片,在一对功能强大的CPU核心上实现系统软体及影像处理演算法的多执行绪部分。他们可以在DSP硬式核心和可程式设计架构上实现其他演算法,这些都是在一个晶片上实现。

  日益攀升的开发成本,使得ASIC的应用领域越来越少,而硅晶片融合发展趋势可支援实现叁种系统层级解决方案。微控制器、ASSP和FPGA变得几乎是一样的,但有一个重要的不同点。出于技术和智慧财产权法律的考虑,只有FPGA能够实现最先进的可程式设计逻辑架构。因此只有FPGA支援系统设计人员可在硬体层级实现其突出产品优势的策略。
硅晶片融合带来各种可能

  硅晶片融合将为今后几年的系统开发确定方向。一方面,将看到高阶微控制器和ASSP成为系统的硬体基础,这些系统硬体将实现商品化,在市场上系统产品之间的不同体现在软体上。另一方面,也会看到突出硬体优势、採用FPGA架构的系统脱颖而出。

  这种趋势会进一步加速,塬因是两种新出现的技术:叁维(3D)IC和异质结构程式设计系统。3D IC技术支援完全不同技术的IC整合,例如FPGA、微处理器、动态随机存取记忆体(DRAM)和射频(RF)等,在一个堆叠中实现这些技术,没有独立IC的晶片间时序和电源成本问题。此一趋势的一个早期例子是英特尔(Intel)凌动(Atom)E6x5C系列,其整合Atom CPU和Altera FPGA。Atom为软体提供业界标準架构,而FPGA能够建立专用加速器和介面控制器。

  E6x5C系列还满足另一种新出现的技术的需求--异质结构程式设计环境。理想情况下,系统开发人员只须要编写并除错一个CPU的软体就可以开始设计。然后,开发平台会帮助他们找到关键程式码片段,在多个CPU核心上分配任务,共用快取记忆体,为关键程式码核心建立硬体加速器。透过这种方法,设计团队能够细緻地调整设计,直至其满足时序和功率消耗要求。

  这种开发环境的一个例子是Altera现在正在进行的OpenCL-FPGA计画(图2)。其目的是提供单一的环境,让系统开发人员能够在其中採用C语言开发程式,隔离需要大量运算的核心,产生平行硬体引擎来加速核心,整合最终的硬体软体系统。

  

  图2 OpenCL-FPGA计画
在提高硅晶片整合度需求的推动下,融合功能逐渐将系统所有主要电子模组整合到一个封装内,让系统开发人员能够集中精力来突显其最终产品的优势。FPGA表面上看起来越来越像ASSP和微控制器,而实际上增强系统开发人员突出硬体优势的能力。新出现的3D IC技术及异质结构开发环境将加速FPGA系统级IC从传统微电子世界中脱颖而出。

  

  图3 硅晶片融合将为FPGA开创出更多应用可能。

关键字:硅晶片  融合技术  SoC  FPGA

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0513/article_18360.html
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