硅片融合下的FPGA向更多应用领域扩展

“摩尔定律”准确地预测了半导体集成化的发展趋势，在过去几十年间，半导体硅片上集成的晶体管的数目越来越多，半导体硅片的功能也越来越复杂，从原来相对单一的微处理器、DSP或ASSP、ASIC向集成数字、模拟、存储器、3D封装的融合硅片方向发展。在这种融合的发展趋势下，FPGA器件也在发生着变化，正在不断集成更多的功能：在FPGA的可编程架构下，单一硅片上既有微处理器、DSP这些通用处理器，也有专用IP实现ASSP、ASIC的功能。这种混合系统架构具有一些独特的优势，硅片融合下的FPGA正在向更多更新应用领域扩展。

上世纪90年代，FPGA刚刚开始发展，那时的FPGA密度较低，大概几十KLE，主要用来连接功能复杂的大逻辑块。2000年之后，FPGA产品有了新的变化，不断采用新的工艺制程，密度进一步提升，FPGA行业开始出现硅片融合的趋势——在FPGA上加入一些新模块，例如，DSP、收发器、RAM等，这种硅片融合使得FPGA的功能和性能进一步提升，功耗降低，FPGA也开始进入更多新的应用领域，例如通信基础设施、军事、测试测量、医疗等。

进入28nm工艺制程后，芯片的密度进一步提升，单芯片容量足以实现整个系统，FPGA上的硅片融合更前进了一步，开始集成微处理器。Altera公司和Xilinx公司都先后推出了集成微处理器的FPGA。2011年3月，Xilinx公司首先了集成ARM内核的新系列产品Zynq，并称之为“带FPGA功能的处理器”；很快，Altera也向外界介绍了其集成ARM内核的FPGA产品，Altera是将ARM内核与其已有的Cyclone、Arria产品系列整合，并将整合后的新产品称为SoCFPGA。Altera公司的SoCFPGA使用宽带干线互联，在FPGA架构中集成了基于ARM的硬核处理器系统(HPS)，包括处理器、外设和存储器接口，它同时实现了硬核知识产权(IP)的性能和低功耗特性以及可编程逻辑的灵活性。

英特尔公司电路研究实验室曾发表文章指出，对于硅片的设计，灵活性和效率是一个两难的问题：通用处理器往往具有较高的灵活性、软件可编程性，但效率偏低；而专用芯片像ASSP、ASIC具有很高的效率，但却不够灵活，不可编程。

硅片融合下的FPGA恰恰解决了上面这个两难问题，FPGA的天生的可编程性保证了芯片的灵活性，而集成的微处理器、功能IP又保证了芯片的较高的效率。正是这种兼具灵活性和较高的效率的优势，使得FPGA正在进入一些新的应用领域。例如，在服务器中用于硬件加速、在固态硬盘中用于非结构化数据处理、在马达控制中用于高能效电机驱动、应用在车载辅助驾驶系统中等。

硅片融合下的FPGA为工程师提供了一种混合系统架构，在提供灵活性和效率优势的同时，也为工程师的开发带来一定的挑战：不仅需要嵌入式软件工具操作系统支持、综合仿真和时序分析工具、DSP编程工具，还需要系统互联工具。Altera公司前不久的用于系统集成的Qsys工具，就可以帮助工程师简化片上互联工作。另外，FPGA厂商（例如Altera、Xilinx）加入OpenCL工作组后，使OpenCL面向FPGA做了诸多优化，方便工程师利用C语言就可以完成FPGA的编程。为了帮助工程师，FPGA厂商正在构建完整的生态系统，包括有力的工具、丰富的模块、IP，搭建满足这种混合系统架构的开发环境，帮助工程师简化设计加速产品上市。