工程师需转变思路：FPGA即将进入大规模嵌入式应用

　　“有一天，当工程师使用FPGA就像使用ARM处理器一样简单和便宜，这时FPGA就会进入目前大量嵌入式CPU、DSP和ASIC/ASSP所适用的领域。我们将从一条小池塘的大鱼变成大海里的最能干的鱼（Smart Fish）。”赛灵思高级副总裁兼CTO Ivo Bolsens表示，“这一天很快就会到来。”他自信地说。

　　是的。赛灵思正在迈向目标。他们于今年4月已向全球宣布推出一种全新的可扩展式处理平台（Extensible Processing Platform）架构，将两个ARM Cortex-A9核与FPGA集成，并共享一个AXI（缓存一致性接口）总线接口。“同与往的FPGA相比，这是一种全新的架构。”在公布这种新型架构半年后，CTO向本刊详细解释了赛灵思的设计思路：“首先，它是一种对等的异构多核处理器架构，FPGA可直接与处理器内部总线连接，与传统的FPGA为外设的架构比较，传输速度和效率大幅提升；第二，我们这一全新的架构，是ARM with FPGA（以ARM为中心），而不是以前的FPGA with CPU（以FPGA为中心），其目的就是要让工程师使用FPGA的感觉像是使用ARM核的处理器一样简单，我们的整个设计思路都会发生改变。”他进一步解释，“这种架构的优势是主频高达2GHz的A9内核进行高速的控制与处理功能，而FPGA则可以灵活配置成能完成多种指定功能的对等多核处理器，他们连接到同一个总线，可以实现高效工作。”

　　很明显，赛灵思的目的就是要抢占未来巨大的嵌入式CPU市场，从消费电子市场，到高端的通信市场。不过，其对手们肯定不会束手待毙，他们也在往这种异构多核的架构演进，包括传统的嵌入式处理器厂商如飞思卡尔、TI、ST、三星、Marvell以及本土的瑞芯微等大批处理器厂商，他们都在向多核ARM+硬加速器的多核异构架构演进；更包括赛灵思即将要面对的最强大的竞争对手——英特尔，虽然他们现在仍是亲密无间的好兄弟。

　　在今年三月的IDF会上，英特尔嵌入式实验室负责人就在一次小型媒体会上透露了他们未来的嵌入式CPU架构，该架构与赛灵思的架构非常相似，只不过，X86的Atom处理器代替了ARM核、多个基于硬加速器的功能模块IP代替了FPGA、总线方面则由QPI总线代替了AXI。其实，正如清华大学教授、国家863核高基项组负责人魏少军在前不久深圳IIC主题演讲中所指出：“这是大势所趋。几年后，嵌入式CPU、DSP、FPGA等各种处理器的架构都将殊途同归，因为他们的架构都要向一个共同的目标演进，那就是必须同时集成动态可重配置功能、可编程功能、超级计算功能以及大量的逻辑阵列。这种趋势将改写目前的处理器供应商格局。”

　　然而，这种趋势正是FPGA厂商所朝思暮想的，这也将彻底改变他们的命运，使得他们能走出传统FPGA的应用瓶颈，从小小池塘走向浩瀚的大海。不过，同样是异构多核架构，ARM with FPGA的优势又在哪里呢？“这些竞争产品中的异构核是硬加速器核，只能完成固定的功能；而我们的异构核是FPGA，生来就具有可重配置性，能灵活地配置成需要的多种功能，而可重配置是未来很多应用的重要需求。”Ivo解释。不过，他也坦承，目前来看X86+特定硬核的处理速度可以比赛灵思的可重构功能更快。赛灵思的ARM based FPGA目前定位在深度嵌入式领域，致力于通过其灵活多变的特点抢占细分市场，从市场的长尾中最大程度获益，而英特尔的嵌入式立足于高端嵌入式市场，主攻大规模高性能应用领域，同时瞩目深度嵌入式领域。“所以，有些市场仍是属于英特尔特有的市场，我们不会与他们竞争，比如视频游戏。”作为英特尔多年的合作伙伴，他似乎不太愿意评论赛灵思未来与英特尔的竞争关系，他说“目前看来，赛灵思高端与INTEL保持了良好的合作关系，深度嵌入式方面与ARM紧密合作的局势短期不会改变。”然而，根据Ivo的介绍，在其它更广泛的视频应用领域，ARM with FPGA将拥有巨大的发挥空间，而2012年全球互联网上流量将有一半是基于视频应用。这表示未来赛灵思与英特尔--特别是英特尔未来要主推的嵌入式CPU，在深度嵌入式领域有一天可能会在中间某个地方相遇，竞争关系将在所难免。而赛灵思与英特尔目前亲密的合作关系也将会走上一种竞合的关系。“赛灵思的ARM based FPGA目前定位在深度嵌入式领域，致力于通过其灵活多变的特点抢占细分市场，从市场的长尾中最大程度获益，而英特尔的嵌入式立足于高端嵌入式市场，主攻大规模高性能应用领域。”Ivo再次补充解释。

　　其实，赛灵思与亲密战友之间的这种演变故事已发生过了，这就是它与DSP厂商的故事。FPGA与DSP厂商早已从亲密战友走上竞合关系，并且未来恐怕更是会针锋相对，特别是在目前DSP也寄预厚望的LTE/4G市场。“在传统的3G设备市场，FPGA的主要应用是射频后处理方面，然而在未来的LTE/4G市场，FPGA将进入基站等核心应用，直接取代目前的多核DSP。”Ivo已毫不讳言与DSP的激烈竞争，“这个市场我们已开始进入，并且旗开得胜，未来的增长潜力巨大。”他解释，“在未来的4G基站系统中，X86仍在数据控制方面占优势，而FPGA则会在数据处理方面拥有巨大优势——以前这部分功能主要是由DSP来完成的，然而随着4G网络对大量并行数据处理需求的增加，多核DSP已不能满足需求。”

　　当然，除了在嵌入式CPU和DSP的大海里抢食，FPGA永远不会停止从传统对手ASIC和ASSP的手里不断攻城略地，直到有一天将他们逼到墙角。Ivo表示，“随着我们高性能、低功耗的28nm赛灵思7系列FPGA的推出，在新的设计项目中基于FPGA的设计项目数将是ASIC/ASSP的三倍。采用全新的统一架构的FPGA将会从两头直逼ASIC/ASSP的领地：高端直达40G/10G网络的核心数据包处理、核心接口部分和Serdes芯片，这些领域传统上多由ASIC来完成，因为其需要高速低功耗，现在7系列在性能提升的同时（可支持多达200万个逻辑单元）将整体功耗降低50%以上，已完全能胜任这些工作；而低端则会直逼最新的消费电子产品，比如数码相机、3D电视、便携医疗设备以及车载信息娱乐系统等应用，在这些市场，7系列中的ARTIX 7将以低成本低功耗直接挑战ASIC/ASSP应用。”在赛灵思的规划中，留给ASIC/ASSP的领地越来越小，“从目前来看，只有手机不是FPGA适合的市场。”Ivo坦承，“另外，高端核心网络中的包交换功能仍是ASIC/ASSP的强项。”

　　赛灵思领导的FPGA阵营正在从门前的PLD这样一个小小池塘进入一个浩瀚的大海，他们将在大海里纵横驰骋，他们的大海搅局也定会搅乱众多设计工程师的习惯，这些工程师们将会逐渐改变一些传统的思维定势，会越来越多地考虑用FPGA替代DSP、CPU或者ASIC平台，当然赛灵思在搅局让对手难过的同时，没有忘记让设计工程师过得更自在、轻松，除了目标设计平台大大简化工程师的工作量外，他们也在相应的工具和软件上进行创新、大幅降低FPGA的设计门槛，“比如基于我们合作伙伴开发的AutoESL工具自动生成的C2FPGA（C语言转换为FPGA实现的高层次综合工具），比我们用RTL综合写出来的性能还好。并且，我们曾尝试让TI的一家设计公司采用这个工具来设计基于FPGA的应用，他们完全没有接触过FPGA，只是非常熟悉C语言，然而通过Auto ESL，他们就可以很快在FPGA平台设计了。