FPGA SoC化应用架构 导入多核心CPU支持

SoC FPGA具整合应用弹性，同时又可维持水准之上的效能表现。Altera

随着SoC架构技术应用越来越普遍，在FPGA也逐渐出现许多SoC化设计之FPGA产品，一方面借助FPGA现场可程序化设计的应用架构弹性，加上整合多核心处理器应用，甚至追加其他矽智财IP，实现低延时、高频运行之应用架构，解决电子产品的设计瓶颈...

SoC型态的FPGA产品，现在已有相关FPGA业者积极投入，而这些FPGA厂大多看准FPGA的高度可程序化架构优势，透过整合硬式核心之CPU子系统与其他多元应用IP核心，让相关应用开发专案也可以利用SoC化之FPGA产品，来轻松达到减省料件占位面积、维持产品低功耗表现的新型态设计方案，而FPGA大厂如Altera、Cypress、Intel与Xilinx等芯片业者，已相继推出SoC FPGA元件。

SoC FPGA整合FPGA架构与多核处理核心设计

基本上，SoC FPGA实为一个整合FPGA架构与CPU核心系统，同时搭配其他矽智财IP的整合半导体元件。利用SoC FPGA其实可享受FPGA本身的低延迟、高效能与可任意组构应用架构之优点，对于以往必须搭配外部处理器、存储器等离散元件的设计方案，在SoC FPGA设计方案中，可直接利用芯片内的连接线路架构应用平台，使整合之应用设计可具体实践低延时之高带宽互联设计，同时也能提高设计之IP重用性。

早期业界推出的SoC型态FPGA整合产品其实并不见得成功，以FPGA与CPU的系统搭配组合，在早期相关解决方案中，有成功、也有失败收尾的产品，而FPGA积极朝向SoC FPGA的发展途径，有几个关键的技术推动因素！例如，FPGA产品相继导入28nm先进半导体制程，这使FPGA在维持与以往一样的产品架构时，因为导入进阶制程而使得芯片有更多空间可整合其他矽智财IP，甚至是发展多核处理器整合应用之SoC方案。

FPGA整合多核心 可获得极佳成本与效能效益

而FPGA本身即具平行处理优势，对于追加之处理核心，亦可透过重新组构实践更高成本效益的设计方案，甚至产品设计可以轻易实践平行处理、多核心架构应用，而SoC化之FPGA自然在低功耗表现持续维持一定的竞争水平，对于发展嵌入式应用领域的节能产品，也能透过整合矽智财IP与多核心处理器的产品优势，趁势抢食嵌入式应用市场。

尤其是现有的硬件平台，要加强整体效能表现水准，大多采行平行处理方案来强化整体运行效能，进而导入多核心处理架构改善系统表现，同时，因为采多核平行处理方案，也可在提升效能同时，维持整体SoC架构之低功耗特性。

FPGA可建构巨量处理、高速传输产品应用

一般来说SoC FPGA可提供同时支持数百个连通管道来传输多元数据，甚至实现100Gbit/sec的巨量数据高速传输设计需求，由于FPGA的信号延时表现比离散设计方案要好上许多，对于需要高度元件整合、同时又要求必须因应高传输效能的应用方案，SoC化之FPGA产品导入设计具绝对的应用优势。

过往多数嵌入式应用环境，对因应嵌入式系统设计之SoC产品，大多具成本优势，反而独立型的FPGA就显得成本较高，而目前在产制技术方面的持续改善，在SRAM、FPGA产品持续压低制作成本已有显着效果，目前已有近半的嵌入式应用导入FPGA设计方案，而SoC FPGA应用方案则可更进一步将原先处理器、独立元件等零组件，以SoC设计方案一一整合，减少离散元件采用，对于开发产品的整体料件成本有极佳压缩助益。

IC元件微缩受成本与技术限制 SoC FPGA兼具务实与效益

而IC元件持续微缩设计，以此为据的摩尔定律在未来将显得越来越难达成，因为过度微缩芯片的高端制程，同时也代表着IC产制成本持续飙高，这对终端应用来说反而成为产品架构的成本限制。新的设计概念必须在要求成本压缩的同时，达到效能、功能面的提升，而SoC FPGA产品可以摆脱于ASSP、CPU这类独立元件的高额投资，为利用SoC化之FPGA多核处理核心整合，达到整体效能提升效用。

在发展SoC FPGA产品时，现在正巧碰上发展SoC产品的好时机，因为现有核心处理器有16位元、32位元等处理核心可选择，另还有ARM、MIPS、PowerPC甚至x86核心多元选择，而导入这些处理核心，可视终端产品的设计方向搭配应用平台，同时现阶段相关处理核心均有其对应的软件开发资源，对于软件特性与功能重用均较以往的开发环境好许多，同时在开发资源不虞匮乏的环境下，相关业者也可利用FPGA的多核SoC整合方案快速发展所需的应用平台。

可供SoC FPGA整合之处理核心选择多元

至于实际进行SoC FPGA设计时，相关业者仍旧会碰到选择整合核心的应用难题，像是SoC FPGA产品可以导入ARM处理核心，或是MIPS、Nios II处理核心IP，甚至以x86为基础的Atom E6X5C可组态处理器核心，此类多元整合可让单一FPGA整合多种处理器架构。

FPGA的整合设计方法，可形成一个多供应商应用平台的选用方案设计型态，但进行相关开发仍须搭配FPGA设计工具协助，包含系统整合工具的加速设计方案，增快软件核心的开发与整合重用效率，同时设计成果也必须搭配第三方的电子自动化设计(EDA)工具支持，持续改善与验证设计方案之成本性能与效能上的测试成果。

FPGA的28nm制程优势 可有效提升终端产品表现

目前在FPGA制程设计方案，已可在FPGA采28nm制程开发相关应用，甚至针对产品设计定制化应用产品，为多种终端设计方案提供最佳化之SoC FPGA产品架构。例如，设计方案可以运用合宜的FPGA架构与制程技术整合，架构不同性能组态之整合元件，像是利用不同核心搭配与FPGA性能差异，建构低？中？高端应用解决方案，而FPGA技术本身即受惠原有的28nm制程助益，亦可让相关解决方案因28nm制程连带获得产品改善效益。

尤其在终端产品的产制成本持续压缩，BOM料件表在成本要求日趋严苛，而SoC化之FPGA制程在相关厂商持续努力下，已趋近于成熟之量产技术，加上制程技术改善与精进下，FPGA大厂亦不敢小觑SoC FPGA产品的市场潜力，重点FPGA厂商已相继推出旗下SoC化之FPGA产品方案，反而是产品开发人员，在面对诸如嵌入式系统整合方案、SoC元件或高效能核心整合方案时，应该也可尝试导入SoC FPGA产品设计带来的产品优势，尤其在矽智财IP重用与FPGA制程成熟度等重点上，SoC FPGA应用方案无疑是发展嵌入式应用值得持续关注的重要元件技术。