1984年,业界首次使用FPGA来命名这样一种具有可编程性质的逻辑器件。至今风风雨雨20多年时间,FPGA可算是经历了一番“煎熬”。FPGA诞生之初的十多年时间里面,虽然具备可编程的便利性,然而其高能耗、低密度、高成本几乎都输于ASIC,因此只能存活于一些特殊的应用领域,比如芯片的新产品测试、小量生产的产品、政府军用等。进入90年代后期,FPGA市场更是经历了一番激烈的整合并购,许多业者不是退出PLD市场就是出售PLD业务部门。然而时至今日,如上一篇文章所提,FPGA甚至被半导体业界称为“黑暗中唯一的一抹亮色”。现在再看市场,由于市场对上市时间要求越来越短、产品设计功能越来越复杂、FPGA本身成本和体积不断降低、性能不断上升……ASIC的市场大部分都已经不可否认地让给了FPGA。本文对于此话题不再赘述,反而FPGA的技术不断发展,有没有新的极具潜力的应用会青睐FPGA呢?答案是肯定的!本文只摘取了两个比较有意思的应用加以阐述,实际上FPGA正被开发出越来越多的应用……
高效运算(High Performance Computing,HPC)
HPC应用涵盖包括商业数据分析、医疗成像、化学计算、基因测序……多个领域,都需要进行大量的数组运算、线性数据匹配、逻辑测试、同步映射等超量的计算任务。
对于今年年初北京举办的IDF上展出的一款针对高效运算的平台,其总线频率可达800MHz、数据传输率可支持到6.4Gbytes/s,想必大家还记忆犹新。这一加速平台(ACP)正是采用Xilinx最高端的65nm FPGA产品——Virtex-5为核心。Intel先进架构和数字企业组的主管Dr. Dileep Bhandarkar解释到,“只有FPGA才能满足Intel Xeon多核处理器前端总线(FSB)的速度要求。”据悉,而这款ACP产品专门用于Intel的双核Xeon处理器上。在Xilinx和Intel的联合研发项目组用于Intel 4核处理器的、1066MHz的ACP解决方案也已经准备就绪。“下一次的Intel IDF上你们就能看到成熟的产品了。”
XtremeData采用Altera公司的Stratix II所构建的FPGA协处理器平台包括有16位宽、3.2Gbps的多路HyperTransport接口、128位宽DDR 333接口……。采用HyperTransport总线来实现主机处理器的低延迟通信将传统的CPU-北桥-南桥(通过PCI接口)-FPGA链路缩短到了点到点,即CPU-FPGA链路。
技术融合已经是一条必经之路了。CPU指令流水线的管道数有限,只能支持数量有限的指令并行处理。而FPGA则可以为之提供多管道,同时并行处理大量指令,另外FPGA还可以执行大量的数据吞吐操作,因此在指令和数据两方面来看FPGA都能够获得比传统CPU更大的工作效率,CPU+FPGA的组合正是让FPGA厂商看到了更多的市场机会。
数字信号处理
不可否认,FPGA在一些应用领域已经开始与之前的盟友DSP形成了竞争关系。业内也有部分人认为,“FPGA正在取代DSP”。然而FPGA会像当初取代ASIC一样,把DSP现在所占据的江山收归己有吗?还是如更多的人所说的,两者今后会是共同存在的关系?
FPGA器件可以实现各功能块同时工作,实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行,其效率远远高过通用处理器。不过,由于FPGA以前都是为验证ASIC原型而设计的,因此虽然FPGA在节省工程开发时间上效率非常高, 但是在利用效率方面却比DSP要逊色。以Xilinx公司为例,Xilinx精心打造了3款针对DSP优化的平台,作为Spartan-DSP系列中的第一个平台,Spartan-3A DSP是一款成本效益最高的器件,专门针对无线、视频和消费应用而优化,而Virtex-DSP系列中的Virtex-4 SX和Virtex-5 SXT平台瞄准的是高端应用,如无线基站和包括监控、广播以及3D医疗图像在内的高分辨率视频应用。与之相应,Altera公司也试图用自己的高端产品Stratix-DSP和Cyclone-DSP系列打开市场规模超过20亿美元的高端DSP市场,两家公司的DSP战略如出一辙。
不可否认谁看到Xilinx这样的新品策略都会产生FPGA将要像取代ASIC一样取代DSP的想法,早在Xilinx发布XtremeDSP产品的时候有记者便已经问到。可对比于当时,现在,Xilinx亚太区营销董事郑馨南出言则更加谨慎,“赛灵思和TI公司更多是合作的关系,FPGA与DSP不是要拼个你死我活。比如说在系统逻辑复用及合并、新外设或总线接口实现、信号处理链中的性能加速方面,两家公司可以相得益彰。”
一般而言FPGA芯片价格贵过DSP,不过FPGA同时可并行处理的数字信号运算量大于DSP,当数字信号运算需求量够大的时候,FPGA在性价比上才会超过DSP。这也是为什么现在在一些无线基站会看到FPGA的身影,而在大部分的用户终端却依然以DSP解决方案为主的原因。另外一点,虽然FPGA拥有取代DSP的良好后续发展,但也不能说FPGA就高枕无忧、全无威胁了。记者在讨论FPGA的时候是假设DSP技术不变的前提,大家都知道这是不可能的。另外,多核心处理器也是FPGA的威胁,例如Tilera公司的Tile64处理器拥有64个执行核心、Picochip的picoArray 器件芯片上带有 430 个带各自独立的本地数据和程序存储器的CPU器件。一样可以提供大量平行的运算,而不需要使用FPGA或DSP。