隨著處理器被添加到傳統(tǒng)FPGA中，可編程性被添加到ASIC中，F(xiàn)PGA和ASIC的分界線日益模糊。

　　FPGA變得比之前更加流行了。現(xiàn)在的FPGA不再只是查找表（LUT）和寄存器的簡(jiǎn)單組合了，它已經(jīng)成為系統(tǒng)探索的架構(gòu)，以及驗(yàn)證未來(lái)ASIC設(shè)計(jì)架構(gòu)的橋梁。

　　從基本的可編程邏輯器件到復(fù)雜的SoC器件，當(dāng)今的FPGA家族陣營(yíng)極其龐大。在包括汽車和其它應(yīng)用的AI、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、航空航天、國(guó)防和工業(yè)自動(dòng)化等各種應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)PGA使得芯片制造商可以在必要時(shí)以更新的方式部署實(shí)施系統(tǒng)。在這種標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和最佳實(shí)現(xiàn)仍然在探索中，而且要求具備成本競(jìng)爭(zhēng)力的新興市場(chǎng)中，F(xiàn)PGA的靈活性至關(guān)重要。

　　這就是賽靈思決定在其Zynq FPGA中添加ARM內(nèi)核以創(chuàng)建FPGA SoC的原因所在，Aldec市場(chǎng)總監(jiān)Louie de Luna表示?！白钪匾氖?，供應(yīng)商已經(jīng)改進(jìn)了工具流程嗎，這使得人們對(duì)Zynq產(chǎn)生了很大的興趣。他們的SDSoC開(kāi)發(fā)環(huán)境看起來(lái)很像C語(yǔ)言，對(duì)開(kāi)發(fā)人員很友好，因?yàn)閼?yīng)用程序通常是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。他們將軟件功能放到開(kāi)發(fā)環(huán)境中，允許用戶將這些功能分配到具體的硬件上。”

　　其中有些FPGA不只是像SoC，他們本身就是SoC。

　　“他們可能包含多個(gè)嵌入式處理器、專用計(jì)算引擎、復(fù)雜接口以及大容量存儲(chǔ)器等，”O(jiān)neSpin Solutions綜合驗(yàn)證產(chǎn)品專家Muhammad Khan說(shuō)。 “系統(tǒng)架構(gòu)師規(guī)劃并使用FPGA的可用資源，就像他們?cè)贏SIC上所做的那樣。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用綜合工具將他們的System Verilog、VHDL或System C RTL代碼映射到基礎(chǔ)邏輯元素中。對(duì)于大部分設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，專門針對(duì)FPGA或ASIC或全定制芯片的設(shè)計(jì)差異正在減少?！?/p>

　　ArterisIP首席技術(shù)官Ty Garibay非常熟悉這一演變。“賽靈思2010年開(kāi)始在Zynq上實(shí)踐這種路線，他們定義了一款產(chǎn)品，把ARM SoC的硬宏納入到了當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的FPGA中，”他說(shuō)。 “然后，Altera招募了我做基本上同樣的事情。它的價(jià)值主張?jiān)谟谠S多客戶都想要SoC子系統(tǒng)，但是SoC的特性尤其是處理器那部分并不適合綜合到FPGA中。將這種級(jí)別的功能嵌入到實(shí)際的可編程邏輯中令人望而卻步，因?yàn)樗鼛缀跤帽M了整個(gè)FPGA的資源。但是它可以作為整個(gè)FPGA芯片的一小部分或一小部分，作為一個(gè)硬性的功能而存在。雖然你沒(méi)有為SoC提供真正可重構(gòu)邏輯的能力，但是它們可以通過(guò)軟件編程，以這種方式改變功能?！?/p>

　　“這意味著，這種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)具備軟件可編程功能、硬宏和硬件可編程功能，他們可以一起工作，”他說(shuō)。 “這類期間有一些相當(dāng)理想的目標(biāo)市場(chǎng)，尤其是在低成本的汽車控制領(lǐng)域，在這種系統(tǒng)中一般都會(huì)以中等性能的微控制器搭配FPGA，現(xiàn)在客戶會(huì)說(shuō)，‘我現(xiàn)在可以將整個(gè)功能放到FPGA芯片的硬宏上，以減少電路板空間，減少BOM并降低功耗?！?/p>

　　這也符合過(guò)去30年FPGA的發(fā)展趨勢(shì)。最初的FPGA只是可編程結(jié)構(gòu)和一組I/O。隨著時(shí)間的推移，內(nèi)存控制器、SerDes、RAM、DSP和HBM控制器都慢慢地被硬化了。

　　Garibay說(shuō)：“FPGA供應(yīng)商一直在繼續(xù)增加芯片面積，同時(shí)也在繼續(xù)增加越來(lái)越多的硬邏輯，這些邏輯被相當(dāng)大比例的客戶群普遍使用。現(xiàn)在，這些硬邏輯轉(zhuǎn)變成軟件可編程器件。在ARM SoC之前添加的大多數(shù)東西都是不同形式的硬件，主要與I/O有關(guān)，但也包括DSP，DSP有足夠的應(yīng)用計(jì)劃，因此，通過(guò)將DSP硬化，可以節(jié)省可編程邏輯門?！?/p>

　　市場(chǎng)可能性

　　這種方式基本上已經(jīng)把FPGA變成了具有多種可能性的瑞士軍刀。

　　“如果你往回看，F(xiàn)PGA只是一堆LUT和寄存器，而不是門，”NetSpeed Systems市場(chǎng)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁AnushMohandass說(shuō)。 “這里有一個(gè)典型問(wèn)題。如果您將任何通用器件和專用器件進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，通用計(jì)算可以提供更大的靈活性，而專用計(jì)算可以提供性能或效率優(yōu)勢(shì)。賽靈思和Altera一直試圖越來(lái)越多地融合通用計(jì)算和專用計(jì)算，他們注意到，幾乎每個(gè)FPGA客戶都擁有DSP和某種形式的計(jì)算。所以他們?cè)贔PGA里面加入了ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核，還加入了所有不同的PHY和常用模塊，他們把這些東西硬化了，使得效率更高，并且性能曲線變得更好。”

　　這些新功能為FPGA在各種新興市場(chǎng)和現(xiàn)有市場(chǎng)中發(fā)揮重要作用打開(kāi)了大門。

　　“從市場(chǎng)角度來(lái)看，您可以看到FPGA肯定會(huì)進(jìn)入SoC市場(chǎng)，”Synopsys的高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Piyush Sancheti表示。 “是做一個(gè)FPGA還是做一款成熟的ASIC牽扯到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。它們的界限開(kāi)始變得模糊不清，我們看到越來(lái)越多的公司 - 特別是在某些市場(chǎng)上 - 正在在量產(chǎn)階段使用成本更低的FPGA?！?/p>

　　從歷史上看，F(xiàn)PGA主要用于原型階段，在生產(chǎn)用途而言，它僅限于航空航天、國(guó)防和通信基礎(chǔ)設(shè)施等市場(chǎng)，Sancheti說(shuō)。 “現(xiàn)在市場(chǎng)正在擴(kuò)展到汽車、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備。”

　　AI：一個(gè)蓬勃發(fā)展的FPGA市場(chǎng)

　　一些系統(tǒng)供應(yīng)商/OEM采用FPGA，希望優(yōu)化其IP或AI/ML算法性能。

　　NetSpeed的Mohandass表示：”他們想要打造自己的芯片，對(duì)其中很多人來(lái)說(shuō)，做ASIC可能有點(diǎn)嚇人。他們也可能不想花費(fèi)3000萬(wàn)美元的晶圓成本來(lái)獲得芯片。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA是一個(gè)有效的切入點(diǎn)，他們擁有獨(dú)特的算法、自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們想要工程化，看看它是否能夠提供他們所期望的性能?！?/p>

　　西門子子公司Mentor的Catapult HLS綜合與驗(yàn)證高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Stuart Clubb表示，目前AI應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)是量化。 “需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)？ 我如何建立這個(gè)網(wǎng)絡(luò)？ 什么樣的內(nèi)存架構(gòu)？ 即便你只有幾層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)你獲得很多采用若干系數(shù)的數(shù)據(jù)之后，很快就會(huì)轉(zhuǎn)化成為數(shù)百萬(wàn)個(gè)系數(shù)，存儲(chǔ)帶寬也會(huì)變得非?？植?。沒(méi)有人真正知道正確的架構(gòu)是什么。如果你不知道答案，你肯定不會(huì)直接上來(lái)就設(shè)計(jì)一個(gè)ASIC。”

　　在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，最常見(jiàn)的問(wèn)題是密碼標(biāo)準(zhǔn)似乎一直在變化。Mohandass表示：“與其嘗試構(gòu)建一顆ASIC，不如將密碼引擎放在FPGA中設(shè)計(jì)?！盎蛘?，如果您在全球網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行任何類型的數(shù)據(jù)包處理，F(xiàn)PGA仍然能夠?yàn)槟峁└嗟撵`活性和更多的可編程性。這就是靈活性的用武之地，他們也已經(jīng)利用了這種靈活性。你可以稱之為異構(gòu)計(jì)算，它看起來(lái)仍然像一個(gè)SoC?！?/p>

　　新規(guī)則

　　隨著新一代FPGA SoC的投入使用，舊規(guī)則不再適用了?！熬唧w來(lái)說(shuō)，如果你還在電路板上進(jìn)行調(diào)試，那就太落伍了，”Clubb指出。 “雖然在開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行調(diào)試被認(rèn)為是一種成本較低的解決方案，但這是在早期階段使用的手段：‘它是可編程的，您可以在它上面放置一個(gè)示波器，觀察一下現(xiàn)象，看看發(fā)生了什么。如果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，我可以修復(fù)它，在一天內(nèi)修改代碼，然后將它重新燒錄到電路板上，然后再定位下一個(gè)bug，'這太瘋狂了。在員工的時(shí)間不被視為成本的很多公司，管理層不會(huì)購(gòu)買模擬器或系統(tǒng)級(jí)工具或調(diào)試器，因?yàn)?#39;我付了錢讓這個(gè)人完成工作，我會(huì)一直訓(xùn)他，直到他努力工作。'”

　　這種行為仍然很常見(jiàn)，Clubb說(shuō)，因?yàn)橛泻芏喙緦?shí)行10%的末位淘汰，以鞭策每個(gè)員工好好干活。

　　但是，F(xiàn)PGA SoC是真正的SoC，需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。 “器件可編程不會(huì)真正影響設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，”Clubb說(shuō)。 “如果你要設(shè)計(jì)一顆SoC，你可以按照我聽(tīng)很多客戶說(shuō)起過(guò)的‘樂(lè)高’工程，采用框圖式的方法。我需要一顆處理器、一塊內(nèi)存、一顆GPU、一些其他零件、一個(gè)DMA內(nèi)存控制器、WiFi、USB和PCI，這些都是您組裝用的'樂(lè)高'積木。麻煩之處在于必須驗(yàn)證它們能夠工作，并且能夠一起工作。”

　　不過(guò)，F(xiàn)PGA SoC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員正在迅速掌握SoC從業(yè)者們關(guān)注的驗(yàn)證方法。

　　“因?yàn)閇使用FPGA]的成本更低，所以FPGA SoC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的思考方式和傳統(tǒng)的芯片SoC開(kāi)發(fā)人員不同，傳統(tǒng)SoC開(kāi)發(fā)人員的處理思路是'這將花

　　費(fèi)我200萬(wàn)美元，所以我最好做好萬(wàn)全的準(zhǔn)備'，“Clubb說(shuō)。 “但是如果你花費(fèi)200萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)FPGA，沒(méi)搞對(duì)，現(xiàn)在你將需要花費(fèi)三個(gè)月的時(shí)間修復(fù)這些bug，這也是需要考慮的成本。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)有多大？要花多少錢？沒(méi)有及時(shí)上市的懲罰是什么？這些都是非常難以清晰量化的成本。如果您處于消費(fèi)領(lǐng)域，需要在圣誕節(jié)期間及時(shí)上市的產(chǎn)品上幾乎不可能使用FPGA，所以這有一個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)。在定制芯片中做一款SoC需要面臨巨大的整體成本和風(fēng)險(xiǎn)，因此越來(lái)越少見(jiàn)了。眾所周知，這個(gè)行業(yè)正在整合，大玩家越來(lái)越少。每個(gè)選手都必須找出一種方式實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，這些FPGA SoC可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

　　新的折衷選擇

　　Sancheti說(shuō)，很多工程團(tuán)隊(duì)不介意更換目標(biāo)器件?！拔覀兛吹皆S多公司創(chuàng)建RTL并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，但幾乎不知道他們最終會(huì)選擇FPGA還是ASIC，因?yàn)檫@個(gè)決定可能會(huì)變很多次。你可以從FPGA開(kāi)始，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量后，如果ASIC成本更低，就轉(zhuǎn)到ASIC上?！?/p>

　　這種局面對(duì)于今天的AI應(yīng)用領(lǐng)域尤其普遍。

　　eSilicon營(yíng)銷副總裁Mike Gianfagna表示：“加速AI算法速度的技術(shù)還在發(fā)展中。人工智能算法其實(shí)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但是現(xiàn)在，我們?cè)谑褂肁I方面突然間變得更加復(fù)雜，并且可以非常神奇地以接近實(shí)時(shí)的速度運(yùn)行它們。最初的AI算法運(yùn)行在CPU上，然后轉(zhuǎn)移到了GPU上。GPU也可以認(rèn)為是一種可編程器件，盡管它具有一定的通用性。GPU架構(gòu)擅長(zhǎng)并行處理，因?yàn)閳D形加速運(yùn)算就是并行計(jì)算，所以在GPU上跑AI算法很方便，因?yàn)锳I基本上就是并行處理。在很大程度上來(lái)說(shuō)，GPU確實(shí)很好，但是它仍然是一種通用的方法，你可以在一定的功耗下獲得一定程度的性能。現(xiàn)在，有些人接下來(lái)要轉(zhuǎn)向FPGA運(yùn)行AI算法，因?yàn)镕PGA可以提供比GPU更好的專用電路，而且性能和功效上都能得到提升。ASIC在功耗和性能方面最為出色，因?yàn)槟鷵碛锌梢酝耆珴M足您的需求的自定義架構(gòu)，不多不少，顯然最好。”

　　人工智能算法很難映射到芯片上，因?yàn)樗鼈儙缀蹩偸窃谧兓?。就這一點(diǎn)可以看出，做一款全定制的ASIC完全不合時(shí)宜，因?yàn)樾酒鰪S時(shí)老的算法就已經(jīng)過(guò)時(shí)了?！癋PGA顯然可以很好地應(yīng)對(duì)這種情況，因?yàn)槟憧梢詫?duì)它們進(jìn)行重新編程，這樣對(duì)芯片的昂貴投資就不會(huì)打水漂了。”Gianfagna說(shuō)。

　　這里有一些自定義的內(nèi)存配置，以及某些像卷積和轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)等可以再次使用的子系統(tǒng)功能，因此，雖然算法可能會(huì)更改，但某些塊不會(huì)更改，可以一次又一次地使用?？紤]到這一點(diǎn)，eSilicon正在開(kāi)發(fā)一款具有軟件分析功能、可以查驗(yàn)AI算法的機(jī)箱，目標(biāo)是能夠更快速地為特定應(yīng)用選擇最佳架構(gòu)。

　　“使用FPGA，可以靈活地更換機(jī)器或者引擎，因?yàn)槟赡軙?huì)遇到一種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選擇ASIC則要承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槟憧赡軣o(wú)法獲得靈活性，”eSilicon知識(shí)產(chǎn)權(quán)工程副總裁Deepak Sabharwal說(shuō)。 “然而，F(xiàn)PGA在容量和性能方面總是受到限制，所以用FPGA無(wú)法真正達(dá)到產(chǎn)品級(jí)規(guī)格。 你可以用它做實(shí)驗(yàn)，對(duì)事物分組，但最終你將不得不選用一顆ASIC?！?/p>