嵌入式 FPGA开发

目录

一、引言

二、当前嵌入式 FPGA 开发的现状

三、嵌入式 FPGA 开发的优势

四、嵌入式 FPGA 的应用领域

1. 通信系统

2. 数字信号处理

3. 视频图像处理

4. 高速接口设计

5. 人工智能

6. IC 设计与 PCB 设计类比

五、嵌入式 FPGA 未来发展趋势

六、结论

一、引言

嵌入式 FPGA 作为一项前沿技术，正逐渐在多个领域展现出巨大的潜力。在当今科技飞速发展的时代，对高效、灵活且可定制的硬件解决方案的需求日益增长，嵌入式 FPGA 应运而生。

嵌入式 FPGA 并不新鲜，只是最近才开始成为设计芯片、SOC 和 MCU 的主流解决方案。一个关键的驱动因素是当今先进集成电路的高成本。对于一家设计高节点的芯片公司来说，RTL 的一个变化可能会花费数百万美元，并使设计进度推迟数月。另一个驱动因素是不断改变的标准。嵌入式 FPGA 如此引人注目，因为它为嵌入式开发人员提供了在制造后随时更新 RTL 的灵活性，即使是在系统中。

随着时间的推移，嵌入式 FPGA IP 将在 180 到 7 纳米的每个重要代工厂中提供，支持广泛的应用。这意味着嵌入式 FPGA 供应商必须能够在短时间内（大约六个月）经济高效地将其架构 “移植” 到新的工艺节点。嵌入式 FPGA 的早期采用者将拥有更广阔的市场潜力、更长的使用寿命和更高的投资回报率，从而使嵌入式开发人员比后期采用者具有竞争优势。系统设计者也将获得类似的好处。

显然，这项技术正在改变芯片的设计方式，公司很快就会意识到他们不能 “不” 采用嵌入式 FPGA。

二、当前嵌入式 FPGA 开发的现状

  1. 技术发展历程
    • 早期探索阶段，可追溯到 20 世纪 90 年代。随着集成电路复杂度的提升和工艺的演进，嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）应运而生。FPGA 作为专用集成电路领域中的半定制电路，其功能可由用户通过软件配置和编程实现，且可反复擦写。而嵌入式 FPGA（eFPGA）则是作为知识产权模块集成到系统级芯片（SoC）中的 FPGA，可将 ASIC 设计的高效能和 FPGA 的灵活性结合在同一芯片中。
    • 近年来，随着 FPGA 设计和 IP 集成技术的成熟，嵌入式 FPGA 成为研究热点。2016 年 10 月，美国 Achronix 公司宣布推出全球首款 eFPGA IP 产品 Speedcore™ eFPGA，成为 FPGA 发展史上的一个重要里程碑。2017 年，eFPGA 的概念获得了业界的广泛认可，带来技术的突破性增长。2018 年，eFPGA 技术的生态系统正迅速扩大。
  1. 主要供应商及产品介绍
    • Achronix：推出了 Speedster7t FPGAs 和 Speedcore™ eFPGA IP。Speedster7t FPGAs 可加速高带宽 workloads，消除传统 FPGAs 相关的瓶颈。Speedcore™ eFPGA IP 可为 ASIC 或 SoC 提供强大的硬件加速，具有可定制的逻辑、DSP 模块和内存数量等特点。例如，Achronix 帮助用户基于 Speedcore eFPGA IP 来构建 Chiplet，为用户提供了更多的集成可能性和灵活性。
    • Adicsys、Efinix、Flex Logix、Menta、NanoXplore 和 QuickLogic 等供应商也在嵌入式 FPGA 领域积极探索。Flex Logix 的 eFPGA 技术支持从非常小的实例到非常大的各种应用实例，采用分层互连，占用面积小，提供了显着的面积和成本优势。
  1. 市场应用现状
    • 在物联网领域，嵌入式 FPGA 可实现分布式的算术结构，有效处理大量的滤波运算，满足无线通信中对高速数字信号处理的需求。同时，其低功耗、小尺寸的特点也适合物联网设备对功耗和体积的要求。
    • 在国防电子领域，美国政府高度重视 eFPGA 的发展。美国国防先期研究计划局（DARPA）与 Flex Logix 公司就其 EFLX eFPGA IP 签署授权使用协议，基于该 IP 的芯片将由中国台湾台积电公司制造，并获准用于 DARPA 的任一合同商和美国政府机构为政府项目设计的芯片中。
    • 在网络芯片领域，FPGA 的高速并行处理能力使其在网络通信中具有独特优势。例如，在高速接口设计中，FPGA 可以实现不同接口逻辑，减少接口芯片的使用，配合 DDR 存储器，使接口数据处理更加得心应手。

三、嵌入式 FPGA 开发的优势

  1. 灵活性高
    • 为嵌入式开发人员提供制造后更新 RTL 的灵活性。嵌入式 FPGA 作为一种可重配置的硬件设备，可以根据不同的应用需求进行编程和定制。这使得开发人员能够在产品发布后，根据实际情况对硬件逻辑进行调整和优化，而无需进行大规模的硬件改版。例如，在智能家居系统中，如果用户的需求发生变化，开发人员可以通过更新 FPGA 的配置来实现新的功能，而无需更换整个硬件系统。
    • 可根据不同应用需求快速定制和优化。由于 FPGA 的高度可编程性，开发人员可以根据具体的应用场景对硬件逻辑进行定制和优化。例如，在数字信号处理领域，FPGA 可以根据不同的滤波算法和信号处理需求进行定制，以实现最佳的性能和效率。在通信系统中，FPGA 可以根据不同的通信协议和接口标准进行定制，以实现与其他设备的无缝连接。
  1. 并行处理能力强
    • 能够同时处理多个数据通道或任务，提高吞吐量和降低延迟。FPGA 内部由众多可编程的逻辑块组成，这些逻辑块可以并行工作，大大提高了处理速度。例如，在图像处理领域，FPGA 可以同时处理多个像素点的数据，从而实现快速的图像处理。在高速接口设计中，FPGA 可以同时处理多个接口的数据，从而提高数据传输的吞吐量和降低延迟。
    • 与传统的嵌入式处理器相比，FPGA 的并行处理能力使其在处理复杂任务和算法时具有明显的优势。例如，在人工智能系统的前端信息处理中，FPGA 可以同时对多个传感器的数据进行采集和处理，从而实现快速的决策和响应。
  1. 低功耗和可靠性高
    • 可动态调整功耗，降低系统能耗。FPGA 可以根据实际的工作负载动态调整功耗，从而降低系统的能耗。例如，在便携式设备中，FPGA 可以在空闲状态下降低功耗，以延长电池寿命。在嵌入式系统中，FPGA 可以根据不同的工作模式调整功耗，以实现最佳的性能和功耗平衡。
    • 硬件实现方式可靠性高，减少故障发生概率。FPGA 的硬件实现方式相比软件实现具有更高的可靠性，可以减少故障发生的概率。例如，在工业控制和自动化系统中，FPGA 可以用于实时信号处理和控制，由于其硬件实现方式的可靠性高，可以保证系统的稳定运行。同时，FPGA 的可重配置性也使得系统在出现故障时可以通过更新配置来恢复功能，提高了系统的可维护性和可靠性。

四、嵌入式 FPGA 的应用领域

1. 通信系统

嵌入式 FPGA 在通信系统中有着广泛的应用。它能够实现分布式算法结构，这对于无线通信中的高速数字信号处理极为有利。在无线通信系统中，众多功能模块常常需要大量的滤波运算，而这些滤波函数通常涉及大量的乘和累加操作。通过嵌入式 FPGA 实现分布式的算术结构，可以高效地完成这些操作。

以 Xilinx 公司的 FPGA 为例，其内部集成了丰富的适合通信领域的资源，包括基带处理、接口和连接功能以及 RF 应用资源三大类。基带处理资源主要涵盖信道编解码（如 LDPC、Turbo、卷积码以及 RS 码的编解码算法）和同步算法的实现（如 WCDMA 系统小区搜索等）。接口和连接功能主要包括无线基站对外的高速通信接口（如 PCI Express、以太网 MAC、高速 AD/DA 接口）以及内部相应的背板协议（如 OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的实现。RF 应用资源主要包括调制 / 解调、上 / 下变频（如 WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA 以及 CDMA2000 系统的单通道、多通道 DDC/DUC）、削峰（如 PC-CFR）以及预失真（如 Predistortion）等关键技术的实现。总之，掌握好嵌入式 FPGA，在通信领域将大有可为。

2. 数字信号处理

在数字信号处理领域，嵌入式 FPGA 凭借其高速并行处理能力表现出色。其并行处理机制使得它特别适合完成 FIR 等数字滤波这样重复性的数字信号处理任务。对于高速并行的数字信号处理任务，FPGA 的性能远远超过通用 DSP 处理器的串行执行架构。此外，它接口的电压和驱动能力都是可编程配置的，不像传统的 DSP 受指令集控制。由于指令集的时钟周期限制，传统 DSP 不能处理太高速的信号，对于速率级为 Gbps 的 LVDS 之类信号就难以涉及。因此，嵌入式 FPGA 在数字信号处理领域应用十分广泛。

3. 视频图像处理

随着时代的发展，人们对图像质量的要求不断提高，从标清到高清再到追求蓝光品质的图像。这使得处理芯片需要实时处理的数据量越来越大，图像的压缩算法也越来越复杂。单纯使用 ASSP 或者 DSP 已无法满足如此大的数据处理量，而嵌入式 FPGA 的优势此时凸显出来。它可以更加高效地处理数据，在综合考虑成本后，在图像处理领域越来越受到市场欢迎。

4. 高速接口设计

嵌入式 FPGA 在高速接口设计领域具有独特优势。它的高速处理能力和多达成百上千个的 IO，使得在高速接口设计中无需使用多个接口芯片，不同的接口逻辑都可以在 FPGA 内部实现。例如，在与 PC 端进行数据交互时，将采集到的数据送给 PC 机处理，或者将处理后的结果传给 PC 机进行显示。PC 机与外部系统通信的接口丰富，传统做法是对应接口使用对应的接口芯片，这会使硬件外设变得复杂且体积庞大。而使用嵌入式 FPGA 配合 DDR 存储器的使用，将使接口数据的处理更加得心应手。

5. 人工智能

在人工智能领域，嵌入式 FPGA 在前端信息处理方面表现出色。例如自动驾驶，需要对行驶路线、红绿灯、路障和行驶速度等各种交通信号进行采集，用到多种传感器，对这些传感器进行综合驱动和融合处理就可以使用嵌入式 FPGA。还有一些智能机器人，需要对图像进行采集和处理，或者对声音信号进行处理都可以使用嵌入式 FPGA 完成。

6. IC 设计与 PCB 设计类比

IC 设计常被认为高深莫测，但其实可以与 PCB 设计进行类比。PCB 是拿一个个元器件在印制线路板上去搭建一个特定功能的电路组合，而 IC 设计是拿一个个 MOS 管、PN 节在硅基衬底上去搭建一个特定功能的电路组合，一个宏观一个微观。PCB 设计废了大不了重新设计再打样，损失较小，但 IC 设计废了再重新设计损失惨重，因为 IC 设计涉及光刻机、光刻胶、光刻板开模等众多工序，人力、物力、机器损耗和保养成本极高，所以 IC 设计都强调一版成功。

五、嵌入式 FPGA 未来发展趋势

  1. 与分立 FPGA 的竞争与互补
    • 嵌入式 FPGA 与分立 FPGA 并非竞争关系，而是互补关系。两者满足不同应用场景的需求，在数据中心等领域，既有分立式 FPGA 的应用空间，也有嵌入式 FPGA 的发展机会。例如，Achronix 公司既拥有自己的 Speedster 系列分立式 FPGA 芯片，也出售其 Speedcore 嵌入式 FPGA 半导体知识产权，业务蓬勃发展。
    • 在金融服务、汽车行业、计算存储、电信行业、国防应用等众多领域，嵌入式 FPGA 已开始得到广泛应用，展现出与分立 FPGA 不同的优势和特点。
  1. 工艺升级
    • 嵌入式 FPGA 遵循摩尔定律，不断升级工艺。目前，Xilinx 16nm 工艺的 FPGA 已经成熟商用，下一代产品会升级到 7nm。随着工艺节点的不断更新，嵌入式 FPGA 供应商必须能够在短时间内（大约六个月）经济高效地将其架构 “移植” 到新的工艺节点。
    • 工艺升级带来的好处是提高算力的同时降低了功耗，减小了芯片面积，推动了 FPGA 的性能提升。例如，从 1985 年 Xilinx 公司推出的全球第一款 FPGA 产品 XC2064 采用 2μm 工艺，到 2016 年赛灵思发布的 VIRTEX UltraScale 采用 16nm 制程，再到未来更先进的制程，FPGA 的容量、速度等性能不断提升。
  1. 市场规模增长
    • 随着应用领域的拓展，嵌入式 FPGA 市场规模有望迅速突破。目前，全球 FPGA 市场规模持续攀升，亚太是 FPGA 主要市场，未来产业发展可期。在通信、消费电子、汽车、数据中心、工业等领域，嵌入式 FPGA 都有广泛的应用前景。
    • 例如，在通信场景中，FPGA 的应用非常广泛，可实现大量高速数字信号处理功能，在多通道波束成型中更具灵活性，且能够满足 5G 的高并发处理需求；在汽车电子场景中，采用 FPGA 技术能够将汽车电子系统中的逻辑单元准确排列，提高逻辑单元的利用率，适应于多传感器融合、计算加速平台等领域。
  1. 国内发展前景
    • 面临挑战：国内嵌入式 FPGA 发展面临技术门槛高、专利壁垒等挑战。技术壁垒高，FPGA 企业的硬件开发部分属于典型的 IC 设计企业，同时需要自行研发适配自家硬件的 EDA 软件，硬件结构复杂且良率低，软硬协同再提研发难度。核心专利被头部公司垄断，国产厂商如紫光同创专利数与国外厂商相差悬殊。半导体产业链国产化程度低，硬件自主可控进程难以阻挡。
    • 也有机会：国家把 FPGA 列为国家战略芯片，政府在这个领域的投入可能会逐步增加。国产 FPGA 有本土化的各种优势，比如对中小客户需求的理解更接地气等。此外，国产 FPGA 厂商发展主要处于第二和第三梯队，如安路科技、中微亿芯、紫光同创等，具备一定的发展潜力。

六、结论

嵌入式 FPGA 以其独特的优势在多个领域展现出广阔的发展前景。随着技术的不断进步和应用领域的持续拓展，嵌入式 FPGA 将在未来科技发展中发挥重要作用。

首先，从技术发展趋势来看，嵌入式 FPGA 遵循摩尔定律，工艺不断升级。目前，Xilinx 16nm 工艺的 FPGA 已经成熟商用，下一代产品会升级到 7nm。工艺升级带来的好处是提高算力的同时降低了功耗，减小了芯片面积，推动了 FPGA 的性能提升。例如，从早期的 2μm 工艺到如今的先进制程，FPGA 的容量、速度等性能不断提升。

其次，嵌入式 FPGA 在市场规模方面也有望迅速突破。随着应用领域的拓展，尤其是在通信、消费电子、汽车、数据中心、工业等领域的广泛应用，全球 FPGA 市场规模持续攀升，亚太是 FPGA 主要市场，未来产业发展可期。例如，在通信场景中，FPGA 可实现大量高速数字信号处理功能，在汽车电子场景中，能提高逻辑单元的利用率，适应多传感器融合等领域。

在国内发展方面，虽然面临技术门槛高、专利壁垒等挑战，但也有机会。国家把 FPGA 列为国家战略芯片，政府的投入可能会逐步增加。国产 FPGA 有本土化的优势，如对中小客户需求理解更接地气等。国产 FPGA 厂商虽处于第二和第三梯队，但具备一定的发展潜力。

此外，从行业竞争格局来看，嵌入式 FPGA 与分立 FPGA 并非竞争关系，而是互补关系。两者满足不同应用场景的需求，在多个领域都有广泛的发展机会。

总之，嵌入式 FPGA 未来发展前景广阔，将在科技进步和产业发展中发挥重要作用。

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