嵌入式閃存成就MAX 10 FPGA的系統(tǒng)價值

30年的低成本創(chuàng)新

中國有句俗話叫“30年河東，30年河西”，Altera在1984年發(fā)布了第一款非易失PLD EP300器件，30年間，可編程器件在性能上不斷發(fā)展甚至挑戰(zhàn)摩爾定律，工藝技術也有了長足的進步，電子設計領域出現(xiàn)了很多替代品，而終端應用領域更是發(fā)生了翻天覆地的變化，這一定是PLD的發(fā)明者不曾想到的。最近一年，終端需求也使得芯片領域加速創(chuàng)新。就Altera來說，在過去6個月，其相繼發(fā)布了3款足夠“有料”的FPGA及SoC系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10，它們都是Altera在創(chuàng)新大潮中重磅推出的“第10代”(Generation 10)產(chǎn)品，也為Altera第4個十年打下了堅實的基礎。

今天的主角是MAX 10，它早在定義之初就被封為“下一代非易失FPGA”，近日，Altera公司產(chǎn)品營銷資深總監(jiān)Patrick Dorsey先生在北京與記者分享了將在10月1日正式開始提供的MAX 10 FPGA的一些特性，我們也來探究一下它是否真的“實至名歸”。

圖1 Altera公司產(chǎn)品營銷資深總監(jiān)Patrick Dorsey先生

Patrick試圖先用“老朋友”這個形象來拉近與中國的距離：“30年前，Altera就為中國提供低成本的可編程器件，中國市場逐漸成為Altera最重要的市場之一，例如，中國知名通信基礎設施公司的產(chǎn)品逐漸把Altera的器件作為核心部件。”Altera這款新FPGA以本來為CPLD系列“頭銜”的“MAX”來命名，也是想突出其延續(xù)了Altera可編程產(chǎn)品物美價廉的傳統(tǒng)，而低成本的MAX 10所擁有的一些性能通常只有高端FPGA才具備。

系統(tǒng)級的集成

傳統(tǒng)的FPGA系統(tǒng)(如電機控制或汽車娛樂系統(tǒng))主要由32位處理器、FPGA、電源模塊以及大量的外部模擬器件構成，32位處理器作為主處理器，F(xiàn)PGA做加速或者其他補充功能。Altera此次把大量的外圍器件(包括振蕩器、時鐘、模數(shù)轉換器、溫度傳感器等)集成到MAX 10中，而過去系統(tǒng)的核心32位處理器也可以用Altera的軟核處理器Nios II來替代，這能夠讓電路板面積減小50%。需要指出的是，集成到FPGA的模擬器件(如12位SAR ADC)，其性能可以與單獨的器件媲美，而集成到FPGA內(nèi)部以后，不但減小了版級面積，還降低了物料成本，并片內(nèi)系統(tǒng)監(jiān)測和測量環(huán)境狀態(tài)。Patrick還特意演示了MAX 10的模擬部分功能(請看文章結尾處視頻)，他還爆料稱：將來Altera還可能把電源系統(tǒng)也集成到FPGA內(nèi)部。

圖2 新舊FPGA系統(tǒng)對比圖

嵌入式閃存提高系統(tǒng)價值

現(xiàn)在不管是處理器廠商還是FPGA廠商都在熱衷于做“集成”，把更多的模擬部分、多個處理器集成到芯片中，這也促進了近幾年SoC迅速發(fā)展。而“集成熱”也導致了另一個問題：芯片差異化更加艱難，這也使得廠商需要從其他角度去探索如何差異化以提高系統(tǒng)價值。

Altera找到了很好的切入點——嵌入式閃存工藝。為什么嵌入式閃存事關重大呢?Patrick總結為4點：(1)降低了成本，因為減少了BOM并實現(xiàn)了更小的電路板面積;(2)降低了系統(tǒng)風險，因為要管理的供應商減少了，簡化了PCB設計，并可以維持較長的產(chǎn)品生命周期;(3)失效安全遠程更新，其能存儲兩個配置鏡像，在遠程系統(tǒng)更新的同時不影響系統(tǒng)本身的運行;(4)由于其瞬時接通配置和上電排序功能而提高了系統(tǒng)管理效率。MAX 10中的閃存(NOR)包括1個用戶閃存和兩個配置閃存。總所周知，閃存的功耗和成本對于芯片設計來說是一個挑戰(zhàn)，MAX 10的功耗范圍為100 mW(待機時)~1 W(運行在200 MHz時)，價格也是很低的。Patrick透露：MAX 10之所以可以實現(xiàn)低功耗和低成本，并且實現(xiàn)雙配置閃存和用戶閃存，除了芯片本身的設計優(yōu)化，最重要的是采用了臺積電(TSMC) 55 nm嵌入式閃存工藝。可惜的是，盡管雙配置閃存這種功能很實用，但基于工藝差異，目前也不能推廣到其他FPGA系列。

MAX 10的嵌入式處理功能也幫助其提高了系統(tǒng)價值。Patrick詳細進行了講解：(1)MAX 10是單芯片嵌入式處理器系統(tǒng)，有軟核Nios II處理器支持、更小的引腳布局且不需要外部RAM或者存儲;(2)用戶可定制處理器，具有MCU所不具備的靈活性;(3)支持實時應用，在10 ms內(nèi)完成配置，這點是汽車和工業(yè)應用特別看重的;(4)維持較長的產(chǎn)品生命周期。

圖3 MAX 10內(nèi)部架構圖

目標應用升級

MAX 10 的目標市場主要有工業(yè)、汽車系統(tǒng)以及通信、計算和存儲應用。在正式發(fā)布MAX 10前，Altera找了100名客戶加入到了MAX 10 的早期使用計劃，Patrick很高興地談到了中國的情況：“中國的早期使用客戶集中在機器視覺和電機控制領域。MAX 10的雙配置閃存和嵌入式處理功能，可以實現(xiàn)機器視覺中的失效安全遠程更新(雙配置中一個保持正常運轉，一個用于更新)和運動控制處理，也可以保障電機控制應用中多個電機在10 ms內(nèi)進行快速切換。例如，運動控制屬于高性能控制，借助MAX 10內(nèi)部的DSP，客戶可編寫精準的算法，而且車間的環(huán)境和要求會不斷變化，用戶通過改變算法就可以作相應調(diào)整，體現(xiàn)了FPGA的靈活性。”

3 mm×3 mm的小封裝MAX 10成為空間受限系統(tǒng)的高效解決方案。針對汽車應用，MAX 10可以用于信息娛樂、輔助駕駛和電動汽車領域。例如，其瞬時接通配置與輔助駕駛的快速系統(tǒng)相應完美契合，其DSP可以實現(xiàn)電動汽車逆變器和轉換器中的加速控制環(huán)。針對高級通信、計算和存儲應用，其能夠有效地管理復雜控制功能，同時進行系統(tǒng)配置、接口橋接、電源排序和I/O拓展。此外，鑒于現(xiàn)在客戶都傾向于有了開發(fā)板才使用新的芯片，Altera此次不只是推出MAX 10芯片，還包括起價30美元的評估套件、軟件、設計實例、培訓和相關文檔，這為工程師們節(jié)約了大量時間。

圖4 芯片及開發(fā)板實物圖

與工藝技術共同飛躍

一般來說，F(xiàn)PGA產(chǎn)品每次的更新?lián)Q代都會讓性能提高約15%，而Altera基于Intel 14 nm 三柵極工藝的Stratix 10比舊產(chǎn)品性能提高了2倍。我想這也代表著未來產(chǎn)品演進的趨勢，從半導體廠商、行業(yè)公司到終端用戶，整個生態(tài)鏈都不再滿足于小的進步，而是大的跨越，甚至是顛覆，這個時代人的心境就是“躁動”的，其積極一面是推動了創(chuàng)新?；赥SMC 20 nm的Arria 10也被Altera定義為性能最好的20 nm FPGA和SoC。Patrick自豪地表示：“Altera與Intel和TSMC都保持了良好的關系，Altera與TSMC的緊密合作從戰(zhàn)略來說對于中國也是非常重要的。還有一點是需要再次強調(diào)的，與TSMC合作的MAX 10是目前世界唯一一款基于55 nm嵌入式閃存工藝的FPGA。”這也體現(xiàn)了MAX 10的珍貴之處。

在新中國成立65周年之際推出MAX 10應該是Altera的有心為之，憑借這個“國慶大禮”的獨特性能，相信能幫助Altera進一步拓展中國的工業(yè)、通信、計算和存儲等市場。