通過提高密度、降低功耗和成本等手段，F(xiàn)PGA已經(jīng)披靡傳統(tǒng)ASIC領(lǐng)域，在眾多新興應(yīng)用領(lǐng)域加速滲透。但它未來的發(fā)展“志不在此”，如今FPGA不僅將應(yīng)用觸角不斷伸向更為廣泛的領(lǐng)域，在通信、消費類、嵌入式等領(lǐng)域FPGA行使DSP“職能”，通過嵌入處理器核取代MCU一些應(yīng)用，F(xiàn)PGA未來發(fā)展空間惹人想象。

FPGA向DSP領(lǐng)域加速滲透

      一項研究顯示，在多個DSP高端應(yīng)用中FPGA將扮演越來越重要的角色，例如高端通信基礎(chǔ)設(shè)施等需要大量并行運算且對性能要求很高的應(yīng)用，F(xiàn)PGA的性能優(yōu)勢要超過獨立DSP。

      近日Altera公司宣布開始發(fā)售業(yè)界首款65納米低成本FPGA—Cyclone III系列。目前250多家客戶已在大量應(yīng)用中采用Cyclone III FPGA進行設(shè)計，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋在消費類、汽車、軍事、工業(yè)和無線通信等。Cyclone III提供豐富的邏輯、存儲器和DSP功能，它含有5K至120K邏輯單元，288個數(shù)字信號處理(DSP)乘法器，存儲器達到4Mbits。與上一代90納米工藝器件相比，65納米Cyclone III具有1.7倍的邏輯；3.5倍的存儲器；2倍的乘法器，乘法器性能達到了260MHz；每邏輯單元(LE)成本降低20%；功耗低50%，在低功耗、低成本和高性能等方面均大幅提升。

      除了一如既往地以高性能低成本來詮釋FPGA升級意義之外，Altera還特別強調(diào)了Cyclone III在無線微基站、軟件無線電、視頻監(jiān)控和便攜醫(yī)療設(shè)備等新興應(yīng)用中取代MCU和DSP的案例。在無線應(yīng)用中，Cyclone III FPGA的低功耗、高密度和充足的DSP功能使設(shè)計人員可以實現(xiàn)無線微基站的數(shù)字IF和基帶功能等。在軟件無線電(SDR)應(yīng)用中，Cyclone III在單個器件中集成了SDR信號處理，靜態(tài)功耗低于0.5W。在視頻編碼中，通過采用Cyclone III，客戶能以低于20美元的成本實現(xiàn)全H.264編碼器，或者以低于5美元的成本實現(xiàn)高清晰(HD)縮放功能。此外，在顯示應(yīng)用中，Cyclone III器件針對顯示應(yīng)用進行了優(yōu)化，是第一款能夠滿足所有1080p HDTV性能需求的低成本FPGA。從中可看出一個顯著的變化是，低成本FPGA在這些應(yīng)用領(lǐng)域開始“代行”部分DSP職能。Altera廣播、汽車電子及消費電子業(yè)務(wù)副總裁Tim Colleran表示，相比DSP，F(xiàn)PGA最大的優(yōu)勢是并行處理，在同一時間處理大量不同的任務(wù)，因而在涉及到復(fù)雜計算時可把DSP的一些任務(wù)卸載到FPGA中處理。

      從FPGA另一巨頭賽靈思的舉動亦可看出FPGA替代DSP的風(fēng)潮。賽靈思通過在其FPGA中引入DSP模塊—XtremeDSP技術(shù)，提供針對航天和軍用產(chǎn)品、數(shù)字通信、多媒體、視頻處理等行業(yè)的高性能定制DSP解決方案。賽靈思還宣稱其Spartan-3系列是成本最低的高性能DSP解決方案，它可以處理如：每秒可以完成18億乘和累加操作(MAC)，高達104個18×18嵌入式乘法器，用于實現(xiàn)緊密的DSP結(jié)構(gòu)，如MAC引擎及自適應(yīng)、全并行FIR濾波器；復(fù)雜的DSP算法(如向前糾錯(FEC)編解碼器、濾波器)，用于數(shù)字通信與成像應(yīng)用等。

      盡管已經(jīng)看到在某些應(yīng)用中FPGA可以直接取代DSP，但FPGA不會在一夜之間徹底顛覆現(xiàn)有格局。Tim Colleran表示，未來FPGA和DSP更多是協(xié)處理關(guān)系，F(xiàn)PGA和DSP都有廣闊的應(yīng)用空間，因為DSP和FPGA在可編程、可以重用和算法升級方面有共通性，可以使用DSP或FPGA實現(xiàn)更低功耗和更高性能。

      不僅如此，Tim Colleran還表示，Altera FPGA中嵌入的Nios II 32位軟核可以取代MCU的一些應(yīng)用，特別是面對更高端更復(fù)雜應(yīng)用的MCU。

軟核之爭升級

      在系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度不斷的提高及新產(chǎn)品市場周期不斷縮短的壓力下，把FPGA及微處理器的核心內(nèi)嵌在同一芯片上，構(gòu)建可編程芯片系統(tǒng)SOPC成為不二之選。Xilinx和Altera都針對SOPC推出的自己的軟核。Xilinx的Micro Blaze軟核是一個32位哈佛RISC結(jié)構(gòu)，支持的FPGA產(chǎn)品為Spartan和Virtex系列。Altera的Nios II軟核是用戶可隨意配置和構(gòu)建的16位/32位總線指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式系統(tǒng)微處理器軟核，它采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口，帶有增強的內(nèi)存、調(diào)試和軟件功能，它可植入Altera FPGA產(chǎn)品的所有系列。

      如今處理器核的勁旅ARM亦在FPGA領(lǐng)域借力出擊。最近Actel和ARM公司發(fā)布了第一款專門針對FPGA應(yīng)用而優(yōu)化的高性能32位處理器Cortex-M1。Cortex-M1處理器擴展了ARM架構(gòu)在FPGA領(lǐng)域的應(yīng)用，可應(yīng)用于便攜式消費電子產(chǎn)品、汽車電子、工業(yè)、通信、軍事/航天等領(lǐng)域。ARM中國區(qū)總裁譚軍表示，它專門為FPGA而優(yōu)化，因為用傳統(tǒng)的固核效率不高，會浪費許多門資源。采用Cortex-M1處理器核的FPGA將使設(shè)計人員受益，它能夠縮短系統(tǒng)級芯片設(shè)計的開發(fā)時間，并降低成本，尤其是對批量較低的產(chǎn)品。

      譚軍特別強調(diào)指出，Cortex-M1處理器核另一獨特優(yōu)勢在于它是精簡的三段式32位RISC處理器，可與ARM7TDMI及更高端處理器的Thumb代碼兼容，并上行兼容Cortex-M3，因而在大批量產(chǎn)品設(shè)計中可輕松轉(zhuǎn)向ASIC設(shè)計。而Nios II和Micro Blaze則不具備這一功能。

      目前Actel作為一家核心合作伙伴已與ARM緊密合作，并成為首個獲得授權(quán)可為其FPGA客戶提供Cortex-M1處理器的公司，向其客戶提供該處理器產(chǎn)品而無需任何額外費用。

      Actel應(yīng)用解決方案高級市場總監(jiān)莊正一表示，如今FPGA中處理器使用量快速增長，尤其是32位處理器，F(xiàn)PGA內(nèi)嵌處理器將從30%增長至60%，而工業(yè)標(biāo)準能夠縮短設(shè)計時間和降低風(fēng)險。對于那些使用Actel基于閃存的Fusion可編程系統(tǒng)芯片及ProASIC3 FPGA的用戶而言，針對FPGA而優(yōu)化的Cortex-M1處理器是一個緊湊并且高效的處理器，能夠滿足廣泛的終端應(yīng)用的需求。并且，Actel還提供軟件開發(fā)工具和實時操作系統(tǒng)的支持，為FPGA設(shè)計者帶來更多的選擇和靈活性。

      譚軍最后表示，目前ST等半導(dǎo)體公司已應(yīng)用ARM的Cortex-M3推出MCU，ARM以后會考慮將Cortex-M3內(nèi)核應(yīng)用于FPGA，從而進一步擴展ARM核在FPGA的應(yīng)用。