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Altera:FPGA的未来是硅片融合的时代

丛秋波?? EDN China?? 2012年06月29日 ?? 收藏2
日前,Altera资深副总裁、首席技术官Misha Burich博士访华。在接受EDN China记者采访时,MishaBurich博士阐述了对未来FPGA走向的观点。他表示,FPGA的未来是硅片融合的时代,硅片融合需要关键的技术来支撑。

FPGA体系结构的演进

Misha Burich说,九十年代初,FPGA这个行业刚刚起步,当时的FPGA芯片规模也就是50K LE(逻辑门)。Altera公司当时最大的一个芯片是80K LE。FPGA主要功能是替代胶合逻辑。九十年代后,FPGA行业到了一个快速增长期。FPGA公司开始在FPGA上面加上一些模块或者新的功能,比如说DSP、收发器、RAM等。

2000年左右,FPGA上开始加入IP并集成了更多的新功能。“在我看来这是一个硅片融合时代的开始,” Misha Burich说,“FPGA从原先的服务于胶合逻辑这样的功能开始慢慢进入到其他的应用市场。比如说通信、军事还有测试仪器和医疗等行业,开始替代ASIC、DSP、ASSP的一些应用市场。”

图1

把通用处理器、专用芯片和PLD进行比较,Misha Burich表示,通用处理器(微处理器、DSP)可用软件编写程序,灵活性高,同样的一款芯片可以用在不同的应用场合,使用范围比较广,但它的功耗比较高,效率也低;对于专用芯片、ASSP或者是ASIC,其特点是固化的硬件,专门针对某一个特定应用而固化硬件。这些硬件是不能编程的,因此灵活性差。但好处是成本比较低,效率高。因为是固化,所以管芯的面积会做的比较小。为了加强灵活性,一些ASSP或者ASIC公司开始在ASSP和ASIC上加入一些嵌入式处理器。而PLD介于这二者之间,FPGA硬件可编程、灵活性非常好,还有较好的功效。

所以,在选择芯片方案时,往往会遇到一个两难的问题,即灵活性和效率的选择问题。Misha Burich博士说,英特尔公司曾有一个调研报告,它的结论是要在一个系统中兼顾灵活性和高效,最好的解决方案就是“处理器+专用的硬件”,可以看出,英特尔也在寻找类似的硅片融合的方案。“作为FPGA的供应厂商,我们有得天独厚的优势去做硅片融合这样的技术,” Misha Burich说,“在FPGA中集成处理器,不仅具有硬件的灵活性,也带来软件的灵活性,再把ASIC和ASSP的一些特性加进FPGA,可以给这个系统带来更高的功效,更低的成本。再加上DSP、专用的IP和可编程的架构,这就构成了一个‘混合系统架构’,它可实现更高的功效、更低的成本和更高的灵活性。而且我们有一个很好的生态系统,这些都是FPGA的优势,而一般的半导体厂商只能做MCU+DSP,在灵活性上,他们做不过FPGA。”他表示,未来十年,FPGA架构的演进还在继续。不仅会有更多硬核处理器和更大的LE,而且还会拓展到一些新的应用领域,例如,具有高性能计算、高性能存储,以及电机控制和汽车马达控制等领域。

关键支撑技术

Misha Burich强调,为了迎接硅片融合时代,作为一家FPGA公司,光做芯片是不够的,芯片必须要有技术来支撑,Altera在这方面有许多技术的积累。比如说集成处理器,Altera有很多、很广的处理器可供客户来选择,包括Altera自己开发的NiosII的软核处理器, 它是一个RSIC架构的处理器,Altera有三分之一的客户会用到一个或多个这样的软核处理器。Altera还与ARM、MIPS、Intel等嵌入式处理器厂商建立了良好的合作。在硬件逻辑电路方面,Altera有HardCopy,可以给客户提供一个嵌入式ASIC解决方案。同时公司拥有DSP高级模块库,可提供浮点DSP架构和精度可调的DSP。

此外,Altera还通过并购不断扩展面向不同应用市场的IP库,这些资源都有助于Altara建立一个强大的硅片融合系统。

Misha Burich表示,除了上面提到的一些对硅片融合支持的关键支撑技术以外,Open CL技术和3D封装也是关键的支撑技术。OpenCL是第一个面向异构系统通用的并行编程的开放式、免费标准,也是一个统一的编程环境,便于软件开发人员为高性能计算服务器、桌面计算系统、手持设备编写高效轻便的代码,而且广泛适用于多核处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及数字信号处理器(DSP)等其他并行处理器,在游戏、娱乐、科研、医疗等各种领域都有广阔的发展前景。OpenCL支持编程人员使用Altera硬件技术,特别是可提供逻辑和数据管理功能,对产品面市时间和效能可产生积极的影响。

用户和应用推动了将异构系统集成到一个封装中,为了能够将多种资源快速“融合”在一个器件中,立体化的封装形式是必然之选。Misha Burich介绍,3D封装技术就是把不同的技术或不同管芯放到一个封装内,Altera在3D技术方面已经研究了好几年,这是未来硅片融合一个发展的趋势,3D封装指日可待。目前2.5D异构封装是最为现实的选择,Altera正在采用TSMC的CoWoS(基底晶圆芯片)技术,将芯片的制造和封装合并在一起,该公司的第一款异构测试芯片已经完成。同时Altera还加入了IMEC的3D封装研究计划,积极地推动3D封装技术的发展。

混合系统架构的开发环境

Misha Burich认为,对混合系统架构还有一个重要问题要考虑,这就是对混合系统架构的编程、综合、仿真和时序分析,对系统的互联、基于C语言的编程、DSP的编程以及嵌入式软件工具的OS支持。Altera 公司目前50%的工程师是在做编程支持工程的,50%的工程师在做芯片开发。Misha Burich本人就是一位软件工程资深的副总裁,非常清楚编程的支持环境对于一个公司是多么的重要。目前Altera有Quartus II开发工具,可以支持综合、仿真和时序分析。有Qsys去做片上的互联,有Open CL支持基于C语言的并行编程,“我们和The MathWorks合作,提供DSP builder工具支持DSP编程。同时还有针对嵌入式的软件工具和操作系统的支持工具。我们会跟很多的第三方做这样的合作,给硅片融合提供更多的关键技术支持。”Misha Burich说。

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