FPGA蚕食DSP与MCU市场

      通过提高密度、降低功耗和成本等手段，FPGA已经披靡传统ASIC领域，在众多新兴应用领域加速渗透。但它未来的发展“志不在此”，如今FPGA不仅将应用触角不断伸向更为广泛的领域，在通信、消费类、嵌入式等领域FPGA行使DSP“职能”，通过嵌入处理器核取代MCU一些应用，FPGA未来发展空间惹人想象。

FPGA向DSP领域加速渗透

      一项研究显示，在多个DSP高端应用中FPGA将扮演越来越重要的角色，例如高端通信基础设施等需要大量并行运算且对性能要求很高的应用，FPGA的性能优势要超过独立DSP。

      近日Altera公司宣布开始发售业界首款65纳米低成本FPGA—Cyclone III系列。目前250多家客户已在大量应用中采用Cyclone III FPGA进行设计，应用领域涵盖在消费类、汽车、军事、工业和无线通信等。Cyclone III提供丰富的逻辑、存储器和DSP功能，它含有5K至120K逻辑单元，288个数字信号处理(DSP)乘法器，存储器达到4Mbits。与上一代90纳米工艺器件相比，65纳米Cyclone III具有1.7倍的逻辑；3.5倍的存储器；2倍的乘法器，乘法器性能达到了260MHz；每逻辑单元(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来诠释FPGA升级意义之外，Altera还特别强调了Cyclone III在无线微基站、软件无线电、视频监控和便携医疗设备等新兴应用中取代MCU和DSP的案例。在无线应用中，Cyclone III FPGA的低功耗、高密度和充足的DSP功能使设计人员可以实现无线微基站的数字IF和基带功能等。在软件无线电(SDR)应用中，Cyclone III在单个器件中集成了SDR信号处理，静态功耗低于0.5W。在视频编码中，通过采用Cyclone III，客户能以低于20美元的成本实现全H.264编码器，或者以低于5美元的成本实现高清晰(HD)缩放功能。此外，在显示应用中，Cyclone III器件针对显示应用进行了优化，是第一款能够满足所有1080p HDTV性能需求的低成本FPGA。从中可看出一个显著的变化是，低成本FPGA在这些应用领域开始“代行”部分DSP职能。Altera广播、汽车电子及消费电子业务副总裁Tim Colleran表示，相比DSP，FPGA最大的优势是并行处理，在同一时间处理大量不同的任务，因而在涉及到复杂计算时可把DSP的一些任务卸载到FPGA中处理。

      从FPGA另一巨头赛灵思的举动亦可看出FPGA替代DSP的风潮。赛灵思通过在其FPGA中引入DSP模块—XtremeDSP技术，提供针对航天和军用产品、数字通信、多媒体、视频处理等行业的高性能定制DSP解决方案。赛灵思还宣称其Spartan-3系列是成本最低的高性能DSP解决方案，它可以处理如：每秒可以完成18亿乘和累加操作(MAC)，高达104个18×18嵌入式乘法器，用于实现紧密的DSP结构，如MAC引擎及自适应、全并行FIR滤波器；复杂的DSP算法(如向前纠错(FEC)编解码器、滤波器)，用于数字通信与成像应用等。

      尽管已经看到在某些应用中FPGA可以直接取代DSP，但FPGA不会在一夜之间彻底颠覆现有格局。Tim Colleran表示，未来FPGA和DSP更多是协处理关系，FPGA和DSP都有广阔的应用空间，因为DSP和FPGA在可编程、可以重用和算法升级方面有共通性，可以使用DSP或FPGA实现更低功耗和更高性能。

      不仅如此，Tim Colleran还表示，Altera FPGA中嵌入的Nios II 32位软核可以取代MCU的一些应用，特别是面对更高端更复杂应用的MCU。

软核之争升级

      在系统设计复杂度不断的提高及新产品市场周期不断缩短的压力下，把FPGA及微处理器的核心内嵌在同一芯片上，构建可编程芯片系统SOPC成为不二之选。Xilinx和Altera都针对SOPC推出的自己的软核。Xilinx的Micro Blaze软核是一个32位哈佛RISC结构，支持的FPGA产品为Spartan和Virtex系列。Altera的Nios II软核是用户可随意配置和构建的16位/32位总线指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器软核，它采用Avalon总线结构通信接口，带有增强的内存、调试和软件功能，它可植入Altera FPGA产品的所有系列。

      如今处理器核的劲旅ARM亦在FPGA领域借力出击。最近Actel和ARM公司发布了第一款专门针对FPGA应用而优化的高性能32位处理器Cortex-M1。Cortex-M1处理器扩展了ARM架构在FPGA领域的应用，可应用于便携式消费电子产品、汽车电子、工业、通信、军事/航天等领域。ARM中国区总裁谭军表示，它专门为FPGA而优化，因为用传统的固核效率不高，会浪费许多门资源。采用Cortex-M1处理器核的FPGA将使设计人员受益，它能够缩短系统级芯片设计的开发时间，并降低成本，尤其是对批量较低的产品。

      谭军特别强调指出，Cortex-M1处理器核另一独特优势在于它是精简的三段式32位RISC处理器，可与ARM7TDMI及更高端处理器的Thumb代码兼容，并上行兼容Cortex-M3，因而在大批量产品设计中可轻松转向ASIC设计。而Nios II和Micro Blaze则不具备这一功能。

      目前Actel作为一家核心合作伙伴已与ARM紧密合作，并成为首个获得授权可为其FPGA客户提供Cortex-M1处理器的公司，向其客户提供该处理器产品而无需任何额外费用。

      Actel应用解决方案高级市场总监庄正一表示，如今FPGA中处理器使用量快速增长，尤其是32位处理器，FPGA内嵌处理器将从30%增长至60%，而工业标准能够缩短设计时间和降低风险。对于那些使用Actel基于闪存的Fusion可编程系统芯片及ProASIC3 FPGA的用户而言，针对FPGA而优化的Cortex-M1处理器是一个紧凑并且高效的处理器，能够满足广泛的终端应用的需求。并且，Actel还提供软件开发工具和实时操作系统的支持，为FPGA设计者带来更多的选择和灵活性。

      谭军最后表示，目前ST等半导体公司已应用ARM的Cortex-M3推出MCU，ARM以后会考虑将Cortex-M3内核应用于FPGA，从而进一步扩展ARM核在FPGA的应用。