硅片融合时代的FPGA

- Altera公司资深副总裁兼首席技术官Misha Burich谈FPGA体系结构的演进

从1980年代中期问世以来，FPGA技术持续发展，应用范围不断拓展。近日，Altera公司资深副总裁兼首席技术官Misha Burich先生来京，介绍了FPGA体系结构的演进及Altera公司FPGA的进展情况。

1990年代，具有50K 以上逻辑单元（LE）的现场可编程器件面世，片上仅集成RAM，开始用来替代胶合逻辑（连接复杂逻辑电路的简单逻辑电路的器件）。到2000年代，现场可编程器件的容量达到500K逻辑单元以上，片上集成了DSP、收发器和ALM等功能单元，开始用来替代ASIC、DSP、ASSP等集成电路，应用领域包括通信基础设施、军事、测试测量和医疗。到2010年代，现场可编程器件的规模达到1M逻辑门以上，集成了更多的功能组件，如处理器硬核，可用来替代微处理器，应用领域扩展到高性能计算、存储、、电机驱动和汽车电子。


图1：FPGA内不断融合新的功能组件

可编程器件与传统ASIC相比的优势随着半导体工业的演进而不断扩大。在2005年，FPGA所采用的工艺节点开始超过ASIC。关键的转折点发生在2008年，这时FPGA开始采用40nm工艺，而ASIC仍停留在130nm。40nm的Stratix IV FPGA的管芯面积与130nm的ASIC相当，成本相当，但FPGA具有更高的灵活性，因而在某些领域中具有独特优势。



图2：FPGA相对于特定应用芯片以及具备工艺节点优势

FPGA是介于通用处理器与特定应用芯片之间的一种器件。通用处理器为软件可编程，非常灵活，但功效较低。ASSP和ASIC具有很高的功效，但不灵活。如图所示，专用硬件的效率可达到通用处理器的100倍。FPGA则是硬件可编程，非常灵活，具有较好的效率。



图3：FPGA的功效与灵活性介于通用处理器与定制芯片之间



图4：效率与灵活性的冲突

硅片融合在FPGA领域体现为“混合系统架构”的出现。微处理器+ DSP + 专用IP + 可编程架构把各种技术的长处都集中到了一起。这种以FPGA为粘合剂的混合系统架构有一些新出现的应用。以适用于高性能电机驱动的SoCFPGA为例，随着FPGA使用的增加，系统成本和功耗在降低。



图5：FPGA融合处理器与ASSP，兼顾效率与灵活性


图6：采用混合系统架构的FPGA降低了电机驱动系统的复杂性

硅片融合和性能的提高使其有可能在这十年里得以前所未有的速度迅速发展。FPGA在通信领域的应用不断增长，而在新应用领域有更大的增长。Burich 先生说，3D封装和OpenCL是关键支撑技术。OpenCL（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，为开发混合系统架构提供了方便。3D封装可将异构系统集成到一个封装中，以便提高系统性能、降低系统功耗、减小封装尺寸并降低系统成本。FPGA领域的3 D封装目前实际上处于2.5D，即在提供互联的基片上叠加功能组件。