FPGA的寬廣世界

“邏輯”一詞決定了FPGA的多功能性，讓FPGA有不同的模型，每個都有特定有時是獨一無二的屬性來滿足不同應用的需要。在這當中最有需求力的是防御雷達、電子戰還有信號情報領域，這方面的需求是如此嚴重以至于很難相信任何一個沒有超級計算機的系統能夠滿足這些需求。然而FPGA已經席卷了防御工業，多虧了它們大規模并行處理能力和I/O口，還有低功耗，以及最近具備的能夠處理浮點型算法的能力，該能力是解決許多類型計算問題的關鍵。

為這些應用服務的是高性能FPGA如Altera的Stratix 10系列，其帶有400萬個邏輯單元，加工在Intel 14nm Tri-Gate處理器上，配合64位ARM Cortex-A53四核處理器。相比它們的處理器，它們有四倍的處理數據吞吐量、四倍的串行收發器帶寬、一個28-Gb/s的底板、56Gb/s的片到片/模塊速率、超過2.5Tb/s的串行內存帶寬、超過1.3Tb/s的并行內存接口帶寬，支持DDR4內存，最高速度可達3200Mb/s.為了滿足前述浮點計算能力需求，它們提供超過單精度DSP 10倍的TFLOPs。

總體上，它們耗費的能量是上一代單精度浮點型效率為100GFLOPS/W的高端FPGA的70%。Stratix 10設備被Altera的高級開發調試工具如OpenCL和SoC嵌入式設計套件中的Altera SDK所支持。

在中檔范圍的是Altera的立即啟動型MAX 10 FPGA（圖3），集成了DSP、帶有12位ADC和溫度傳感器的模擬電路模塊、鎖相環、低延時全局時鐘、嵌入式軟處理器支持、內存控制器、達到736KB的雙配置flash，允許你進行存儲和在單片上的兩個圖像間動態切換。它們基于TSMC系列的55-nm工藝嵌入式flash技術設計，該技術支持立即啟動配置以使它們可以控制系統中其它元件的上電或初始化。器件密度達2000到50000個邏輯元素。其它特點包括多達500個的用戶I/O引腳、18路模擬輸入通道還有128位AES加密。

圖3：評估板上的Altera MAX 10FPGA來源：Altera

特別有意思的是結合了Nios II代處理器內核、片上外設和帶有片下內存接口內存的Nios II處理器。相比固化的微控制器，該Nios II代處理器是一個可配置的“軟”IP核，這意味著處理器內核是可編程的并且不是固化在芯片里的。當它在FPGA上實現的時候，它允許軟硬件工程師協同工作來優化硬件以及測試里邊運行的軟件。

就連給大眾應用服務的FPGA也有令人生畏的性能。例如，Lattice Semiconductor宣稱它的MachXO3 FPGA家族是尺寸最小、每I/O成本最低的平臺，旨在擴展系統能力和同時利用如MIPI、PCIe及千兆以太網之類的并行和串行I/O來橋接新興的連接。它們的封裝技術消除了連接線，此舉減少了成本，增大了I/O密度。基于模型可以看出它們有640到6900個查找表。典型的應用領域包括消費電子、計算及存儲、無線通信、工業控制還有汽車。他們的設計工具庫包括流行的邏輯綜合軟件、預先設計的IP、還有專門適合MachXO3L家族產品的免費參考設計。為了讓開發更簡單化，Terasic，一家專門使用FPGA（還有其它設備）定制子系統的公司，提供了基于Altera Cyclone V代GX FPGA搭建的Cyclone 5代GX開發套件硬件設計平臺。該板（圖4）包括相關硬件如一個Arduino接頭、板載USB Blaster、帶有高速收發器的音頻視頻功能。該公司的目標是簡化評估和制造FPGA子系統的任務，而只需額外增加一臺基于Windows的PC機而已。

圖4：Terasic的Cyclone五代GX開發套件。（來源：Cyclone五代GX開發套件用戶指南）

并不是板上的唯一成員

FPGA可能確實很性感（以工程師的說法），但它們并不是唯一的可編程邏輯器件；其它設備也可以用單一設備提供一系列功能。看看來自Cypres半導體公司的“片上可編程系統”(PSoC)架構吧，它是工業上唯一一個在單片上結合了高性能模擬模塊、可編程PLD、內存以及微控制器的可編程嵌入式SOC，并且功耗很低。最高級的PSoC變體——PSoC-5家族集成了最新的ARM Cortex-M混合信號解決方案。

例如PSoC-5家族的CY8C56LP系列（圖5）在一個CPU子系統中提供可配置的模擬、數字還有互連電路。結合了模擬子系統、數字子系統、路由和I/O的CPU使其在一大片消費者領域、工業領域還有醫藥領域中很有吸引力。該PSoC的數字子系統通過其數字系統互聯電路高效地把任何一個外設與任何一個管腳連接，同時通過小型、快速、低功耗的通用數據模塊（UDB）來提供功能靈活性。

圖5：CY8C56LP的主要器件是ARM Cortex-M3內核CPU，數字、模擬、可編程、調試還有測試子系統，I/O，時鐘還有供電部分。來源：Cypress半導體公司

它支持測試版的PSoC創建庫、標準數字外設（UART、SPI、LIN、PRS、CRC、定時器、路由器、PWM、與門、或門等），這些都映射在UDB陣列中。每一個UDB包含可編程邏輯功能，還有一個小型狀態機引擎來允許它支持一系列外設。其它可配置的數字模塊可以用于特定的功能，如4個16位定時器，路由器，PWM模塊，I2C從、主和多-主模式，還有USB和CAN 2.0總線。該設備通常被稱為MCU，但是卻和FPGA一樣有很強的靈活性，并且相對編程容易。

總結

如果到此處你還沒有領略到如今可編程邏輯器件的強大性和多功能性，看看這個：如今僅用三個OpenVPX外形設計（為防御系統使用）的卡就可以構建一個完整的信號捕捉及處理子系統了。其主要設備包括兩片高端FPGA、高級ADC和DAC(每一個用兩片)、一個Intel i7四核處理器、SERDES 收發器、內存和I/O口。多虧了較寬的帶寬還有高采樣率的DAC以及有強悍處理能力的FPGA，該三卡解決方案甚至可以利用DC捕捉到空中高達6GHz的信號。而幾年前要實現這個目標，則需要一個5到10倍體積的解決方案。

由于更多的市場部門，從消費者電子到圖像處理、汽車、防御電子、工業自動化和控制及醫藥領域，正利用這些設備的優勢，這方面的發展以及取得的成就讓人吃驚。因此盡管FPGA和其它可編程邏輯器件并不是一個新的概念，它們正實現著一些尖端領域的創舉。