FPGA与处理器的集成会否成为推动摩尔定律发展的“黑天鹅”

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在发现澳大利亚的黑天鹅之前,欧洲人认为天鹅都是白色的,“黑天鹅”曾经是欧洲人言谈与写作中的惯用语,用来指不可能存在的事物,但这个不可动摇的信念随着第一只黑天鹅的出现而崩溃。

随机科学系教授Nassim Nicholas Taleb的《黑天鹅》一书中,将黑天鹅比喻为不可欲知的重大事件,它在意料之外,却对社会、历史等发展有着非常重大的影响和推动作用。个人电脑、互联网的诞生及 “9•11”事件等都被喻为黑天鹅。

把黑天鹅理论应用于半导体技术会有怎样的发现呢?“受到功耗的制约,随着半导体工艺的提升,器件性能目前无法实现与Moore定律相吻合的提高。”Altera公司产品和企业市场副总裁Vince Hu认为,“这就需要一个黑天鹅事件——一个“异常的”创新技术——以更低的功耗实现更高的性能,使得摩尔定律能成功和持续的发展。”Intel即将推出的基于Atom的可配置新处理器在多芯片封装中包含了Intel Atom E600系列以及配对的Altera® FPGA。对于希望采用专用I/O或者加速硬件的用户而言,这进一步提高了他们的灵活性,还支持开发人员迅速应对需求的变化,从而突出其设计优势。

 

Intel认为,这种FPGA与处理器的集成方案将成为突破功耗制约的黑天鹅事件,推动摩尔定律的发展。Intel嵌入式通信组副总裁兼总经理Doug Davis说:“灵活性是嵌入式设计人员的关键,而FPGA技术提供了更多的选择。Intel最近发布了集成Altera FPGA与基于Intel Atom处理器的多芯片封装产品,继续为嵌入式开发人员提供灵活的智能解决方案。”

为加速实现嵌入式系统中可编程逻辑与处理器的集成,Altera公司近日发布了其嵌入式计划。通过这一计划,Altera为设计人员提供了基于Quartus® II开发软件的单一FPGA设计流程——包括新的Qsys系统级集成工具、公用FPGA知识产权(IP)库,以及新的ARM Cortex-A9 MPCore和MIPS技术公司MIPS32嵌入式处理器产品等。利用这一设计流程,嵌入式设计人员能够迅速方便的面向Altera Nios II、基于ARM和MIPS的嵌入式处理器以及最近发布的可配置Intel Atom处理器开始设计。Qsys系统级集成工具利用了业界首创的FPGA优化芯片网络技术来支持多种业界标准IP协议,提高了结果质量,具有很高的效能。

图:Altera公司的嵌入式计划提供基于Quartus II软件的单一设计流程

今年年初,赛灵思公司在美国硅谷嵌入式系统大会上展示出的基于ARMCortex-A9 MPCore的可扩展式处理平台。软件开发人员可以充分利用基于 ARM 技术的现有系统代码,并使用大量现成的开放源代码以及已经商用的软件组件库。

从这两家公司的发布可以看出,FPGA进入嵌入式实际的时机已经成熟。
   
Vince Hu表示:“首先,对更高软件性能的需求持续的增长。而在五年前业界就开始朝系统处理并行化方向发展而不是仅仅提高单个 CPU核的性能。这种并行化的方向主要包?两类技术,一个是多内核,第二个就是硬件协处理加速器。硬件协处理加速器是最理想化的或者说是从效果来讲是最好的。但是没有任何的方式能够提前知道哪些软件功能需要能够通过硬加速的方式实现。所以 FPGA 是理想的加速器的实现方案,因为它是现场可编程的。但是为了使得 FPGA作为协加速,达到最理想的性能、最好的效率,实际上需要 FPGA和 CPU 之间做紧密的耦合,来减少延迟。所以说 CPU+FPGA这样结合的方式,需要更多更紧密的结合。

第二个原因是就现状来讲 FPGA 事实上已经集成为 CPU 硬件的协加速器,调查显示,42%的嵌入式设计工程师他们已经把 FPGA 集成到他们嵌入式系统当中。另一方面Altera 自己的用户中有 30%的这种设计中已经包含了嵌入式软核。FPGA和 CPU的集成案例已经非常多了。通过这种方式,我们的用户可以通过更高级的集成来获得成本上的消减,比如说可以消减版上元器件的数目,通过这种方式可以降低器件成本和整个系统成本。

第三个原因是,目前业界很多芯片厂商已经在采用处理器+FPGA 这种方案,采用软的处理器+FPGA,或者是硬核 CPU+FPGA 这种模式进行。我们看到这种趋势会在未来继续延续下去,并且在这种趋势之下有必要推出一个单一的工具把这种流程简化,这样设计者可以很方便地在这种设计流程里面把 CPU 和 FPGA结合起来。”

此外,Altera将继续拓展目前的嵌入式合作伙伴计划,联合ARM、Intel和MIPS技术公司以及FPGA业界的多个合作伙伴。此外,Altera将与他们协作,增强设计流程,支持越来越多的FPGA嵌入式处理产品走向市场。”
 
Vince Hu还透露了Altera上半年与ARM有限公司签署协议,授权包括Cortex-A9微处理器在内的多种技术。Altera将在28nm FPGA技术中提供集成了增强Cortex A9处理器子系统的产品。Altera将在2011年发布这些基于ARM处理器的器件的详细信息。

Altera还进一步扩展了软核处理器系列产品,即将在2011年上半年推出基于MIPS技术公司MIPS32处理器体系结构的MP32软核处理器。MP32是Altera、MIPS技术公司以及主要用户过去几年密切协作的结果。它针对Altera器件完善了Altera Nios II嵌入式处理器以及合作伙伴软核CPU系列产品,极大的丰富了FPGA可以使用的操作系统和应用程序。

本季度末,Altera将提供Qsys系统集成工具,它是Quartus II开发软件的一部分。采用业界首创的FPGA优化芯片网络技术,Qsys能够提供存储器映射和数据通路互联,使Altera SOPC Builder工具的性能几乎提高至两倍,同时支持业界标准IP接口,例如,AMBA。Qsys将采用使用方便的SOPC Builder界面,支持与现有嵌入式系统移植的后向兼容。而且,这一高级互联技术将支持分层设计、渐进式编译以及部分重新配置方法。