FPGA SoC化應用架構 導入多核心CPU支援

SoC FPGA具整合應用彈性，同時又可維持水準之上的效能表現。Altera

隨著SoC架構技術應用越來越普遍，在FPGA也逐漸出現許多SoC化設計之FPGA產品，一方面借助FPGA現場可程式化設計的應用架構彈性，加上整合多核心處理器應用，甚至追加其他矽智財IP，實現低延時、高頻運行之應用架構，解決電子產品的設計瓶頸...

SoC型態的FPGA產品，現在已有相關FPGA業者積極投入，而這些FPGA廠大多看準FPGA的高度可程式化架構優勢，透過整合硬式核心之CPU子系統與其他多元應用IP核心，讓相關應用開發專案也可以利用SoC化之FPGA產品，來輕鬆達到減省料件佔位面積、維持產品低功耗表現的新型態設計方案，而FPGA大廠如Altera、Cypress、Intel與Xilinx等晶片業者，已相繼推出SoC FPGA元件。

SoC FPGA整合FPGA架構與多核處理核心設計

基本上，SoC FPGA實為一個整合FPGA架構與CPU核心系統，同時搭配其他矽智財IP的整合半導體元件。利用SoC FPGA其實可享受FPGA本身的低延遲、高效能與可任意組構應用架構之優點，對於以往必須搭配外部處理器、記憶體等離散元件的設計方案，在SoC FPGA設計方案中，可直接利用晶片內的連接線路架構應用平台，使整合之應用設計可具體實踐低延時之高頻寬互聯設計，同時也能提高設計之IP重用性。

早期業界推出的SoC型態FPGA整合產品其實並不見得成功，以FPGA與CPU的系統搭配組合，在早期相關解決方案中，有成功、也有失敗收尾的產品，而FPGA積極朝向SoC FPGA的發展途徑，有幾個關鍵的技術推動因素！例如，FPGA產品相繼導入28nm先進半導體製程，這使FPGA在維持與以往一樣的產品架構時，因為導入進階製程而使得晶片有更多空間可整合其他矽智財IP，甚至是發展多核處理器整合應用之SoC方案。

FPGA整合多核心 可獲得極佳成本與效能效益

而FPGA本身即具平行處理優勢，對於追加之處理核心，亦可透過重新組構實踐更高成本效益的設計方案，甚至產品設計可以輕易實踐平行處理、多核心架構應用，而SoC化之FPGA自然在低功耗表現持續維持一定的競爭水平，對於發展嵌入式應用領域的節能產品，也能透過整合矽智財IP與多核心處理器的產品優勢，趁勢搶食嵌入式應用市場。

尤其是現有的硬體平台，要加強整體效能表現水準，大多採行平行處理方案來強化整體運行效能，進而導入多核心處理架構改善系統表現，同時，因為採多核平行處理方案，也可在提升效能同時，維持整體SoC架構之低功耗特性。

FPGA可建構巨量處理、高速傳輸產品應用

一般來說SoC FPGA可提供同時支援數百個連通管道來傳輸多元資料，甚至實現100Gbit/sec的巨量資料高速傳輸設計需求，由於FPGA的訊號延時表現比離散設計方案要好上許多，對於需要高度元件整合、同時又要求必須因應高傳輸效能的應用方案，SoC化之FPGA產品導入設計具絕對的應用優勢。

過往多數嵌入式應用環境，對因應嵌入式系統設計之SoC產品，大多具成本優勢，反而獨立型的FPGA就顯得成本較高，而目前在產製技術方面的持續改善，在SRAM、FPGA產品持續壓低製作成本已有顯著效果，目前已有近半的嵌入式應用導入FPGA設計方案，而SoC FPGA應用方案則可更進一步將原先處理器、獨立元件等零組件，以SoC設計方案一一整合，減少離散元件採用，對於開發產品的整體料件成本有極佳壓縮助益。

IC元件微縮受成本與技術限制 SoC FPGA兼具務實與效益

而IC元件持續微縮設計，以此為據的摩爾定律在未來將顯得越來越難達成，因為過度微縮晶片的高階製程，同時也代表著IC產製成本持續飆高，這對終端應用來說反而成為產品架構的成本限制。新的設計概念必須在要求成本壓縮的同時，達到效能、功能面的提升，而SoC FPGA產品可以擺脫於ASSP、CPU這類獨立元件的高額投資，為利用SoC化之FPGA多核處理核心整合，達到整體效能提升效用。

在發展SoC FPGA產品時，現在正巧碰上發展SoC產品的好時機，因為現有核心處理器有16位元、32位元等處理核心可選擇，另還有ARM、MIPS、PowerPC甚至x86核心多元選擇，而導入這些處理核心，可視終端產品的設計方向搭配應用平台，同時現階段相關處理核心均有其對應的軟體開發資源，對於軟體特性與功能重用均較以往的開發環境好許多，同時在開發資源不虞匱乏的環境下，相關業者也可利用FPGA的多核SoC整合方案快速發展所需的應用平台。

可供SoC FPGA整合之處理核心選擇多元

至於實際進行SoC FPGA設計時，相關業者仍舊會碰到選擇整合核心的應用難題，像是SoC FPGA產品可以導入ARM處理核心，或是MIPS、Nios II處理核心IP，甚至以x86為基礎的Atom E6X5C可組態處理器核心，此類多元整合可讓單一FPGA整合多種處理器架構。

FPGA的整合設計方法，可形成一個多供應商應用平台的選用方案設計型態，但進行相關開發仍須搭配FPGA設計工具協助，包含系統整合工具的加速設計方案，增快軟體核心的開發與整合重用效率，同時設計成果也必須搭配第三方的電子自動化設計(EDA)工具支援，持續改善與驗證設計方案之成本性能與效能上的測試成果。

FPGA的28nm製程優勢 可有效提升終端產品表現

目前在FPGA製程設計方案，已可在FPGA採28nm製程開發相關應用，甚至針對產品設計客製化應用產品，為多種終端設計方案提供最佳化之SoC FPGA產品架構。例如，設計方案可以運用合宜的FPGA架構與製程技術整合，架構不同性能組態之整合元件，像是利用不同核心搭配與FPGA性能差異，建構低？中？高階應用解決方案，而FPGA技術本身即受惠原有的28nm製程助益，亦可讓相關解決方案因28nm製程連帶獲得產品改善效益。

尤其在終端產品的產製成本持續壓縮，BOM料件表在成本要求日趨嚴苛，而SoC化之FPGA製程在相關廠商持續努力下，已趨近於成熟之量產技術，加上製程技術改善與精進下，FPGA大廠亦不敢小覷SoC FPGA產品的市場潛力，重點FPGA廠商已相繼推出旗下SoC化之FPGA產品方案，反而是產品開發人員，在面對諸如嵌入式系統整合方案、SoC元件或高效能核心整合方案時，應該也可嘗試導入SoC FPGA產品設計帶來的產品優勢，尤其在矽智財IP重用與FPGA製程成熟度等重點上，SoC FPGA應用方案無疑是發展嵌入式應用值得持續關注的重要元件技術。