FPGA 選件高級概述

　　市場上有許多不同類型的 FPGA，每種類型都有不同的功能和特性組合。可編程結(jié)構(gòu)是任何 FPGA 的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現(xiàn)，也稱為邏輯元件 （LE）（圖 1（a））。FPGA 結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步擴(kuò)展，以包括 SRAM 塊（稱為塊 RAM （BRAM））、鎖相環(huán) （PLL） 和時(shí)鐘管理器之類的東西（圖 1（b））。此外，還可以添加數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 塊（稱為 DSP 切片）和高速串行器/解串器 （SERDES）（圖 1（c））。

圖 1：最簡單的 FPGA 僅包含可編程結(jié)構(gòu)和可配置通用 IO （GPIO） （a）；不同架構(gòu)是在此基本結(jié)構(gòu)上增加其他元件而形成：SRAM 塊、PLL 和時(shí)鐘管理器 （b）；DSP 塊和 SERDES 接口 （c）；以及硬處理器內(nèi)核和外設(shè) （d）。（圖片來源：Max Maxfield）

　　外設(shè)接口功能（如 CAN、I2C、SPI、UART 和 USB）可以實(shí)現(xiàn)為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核，但許多 FPGA 將其作為硬內(nèi)核在硅片中實(shí)現(xiàn)。同樣，微處理器也可以實(shí)現(xiàn)為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核，或作為硬內(nèi)核在硅片中實(shí)現(xiàn)（圖 1（d））。具有硬處理器內(nèi)核的 FPGA 稱為片上系統(tǒng) （SoC） FPGA。不同 FPGA 針對不同的市場和應(yīng)用提供不同的功能、特性和容量集合。

　　FPGA 供應(yīng)商有很多，包括 Intel（收購了 Altera）、Efinix、Lattice Semiconductor、Microchip Technology（收購了 Atmel 和 Microsemi），以及 Xilinx。

　　所有這些供應(yīng)商都提供多個(gè) FPGA 系列：有的提供 SoC FPGA，有的提供面向人工智能 （AI） 和機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 應(yīng)用的器件，有的則提供適用于航天應(yīng)用的耐輻射器件。由于產(chǎn)品系列眾多，每個(gè)系列提供不同的資源，因此為眼前的任務(wù)選擇最佳器件可能很棘手。

　　Intel FPGA 和 SoC FPGA 介紹

　　Intel 提供各種各樣的可編程器件產(chǎn)品，性能和功能從中等到極高都有，并涵蓋傳統(tǒng) FPGA 到 SoC FPGA（即，將 FPGA 可編程結(jié)構(gòu)和一種或多種強(qiáng)化處理器內(nèi)核結(jié)合在一起的器件）。

　　Intel 的產(chǎn)品系列當(dāng)前有五個(gè)主動(dòng) FPGA 系列，包括 Max 10、Cyclone 10，和 Arria 10（圖 2）。Intel 還提供極高端的 Stratix 10 及其更新的最先進(jìn) Agilex 器件。

圖 2：在 Intel 的五個(gè) FPGA 系列中，其中三個(gè)（從成本最低 （Max 10） 到最高容量及性能 （Arria 10））的目標(biāo)應(yīng)用和市場覆蓋從板卡管理和 I/O 擴(kuò)展，一直到嵌入式視覺和軍事/國防。Stratix 10 和更新的 Agilex 器件進(jìn)一步提升了性能。（圖片來源：Max Maxfield）

　　Intel 的 Max 10 FPGA 集成片載 NOR 閃存，以提供 FPGA 配置。其他產(chǎn)品系列有基于 SRAM 的配置單元，并且會(huì)在上電時(shí)從板載外部存儲(chǔ)器件或系統(tǒng)的其他位置（如在外部處理器的控制之下）加載配置。除 MAX 10 系列以外，所有其他 Intel FPGA 系列都可作為 FPGA 或 SoC FPGA 的形式提供，并與強(qiáng)化微處理器系統(tǒng)集成。

　　MAX 10 FPGA 的集成功能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和雙通道配置閃存，后者可提供在單個(gè)芯片上存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)切換兩張圖像的功能。MAX 10 FPGA 還具有 Nios II 軟核心處理器支持、DSP 塊和軟雙倍數(shù)據(jù)速率 3 （DDR3） 存儲(chǔ)控制器。

　　MAX 10 產(chǎn)品組合中的代表性器件是 10M16SCU169I7P。該產(chǎn)品具有 16，000 個(gè)邏輯單元和 130 個(gè)輸入/輸出 （I/O），而且總 RAM 位數(shù)為 562，176。Intel 的 EK-10M08E144 是適用于 MAX 10 的評估板，另一個(gè)是 HINJKIT，這是 Alorium Technology， LLC 的 FPGA 物聯(lián)網(wǎng)傳感器集線器開發(fā)套件（圖 3）。尤其值得關(guān)注的是，HINJKIT 的 MAX 10 FPGA 包括 Alorium Technology 的 AVR 兼容 8 位微控制器，使 HINJKIT 能與 Arduino IDE 配合使用。該板還可為第三方物聯(lián)網(wǎng)載板、模塊和配件提供高度的接口靈活性。

　　Intel 的 Cyclone 10 GX FPGA 提供 12.5 GB 基于收發(fā)器的功能、1.4 Gbit/s 低壓差分信號(hào) （LVDS），以及適用于最高 1，866 Mbits/s 數(shù)據(jù)速率的高達(dá) 72 位寬 DDR3 SDRAM 接口。Cyclone 10 GX FPGA 針對機(jī)器視覺、視頻連接和智能視覺相機(jī)等高帶寬性能應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

　　與之相比，Cyclone 10 LP FPGA 則針對低靜態(tài)功耗、低成本應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，例如 I/O 擴(kuò)展、傳感器融合、電機(jī)/運(yùn)動(dòng)控制、芯片到芯片橋接以及控制應(yīng)用。GX 和 LP 器件系列都支持垂直遷移，使設(shè)計(jì)人員從一個(gè)器件開始著手設(shè)計(jì)，然后在未來遷移到相鄰密度。

　　Cyclone 10 產(chǎn)品組合中的代表性器件是 10CL006YU256A7G。該產(chǎn)品具有 6，272 個(gè)邏輯單元和 176 個(gè) I/O，而且總 RAM 位數(shù)為 276，480。相關(guān)的開發(fā)和評估板及模塊還有很多，包括 P0496 DE10-NANO Cyclone V SE SoC 套件（圖 4）、P0553 TSoM Cyclone V SE 評估板（也基于 Cyclone V SoC FPGA）和 P0581 TSoM Cyclone V SE FPGA 評估板，它們都是 Terasic Inc 的產(chǎn)品。（注意，這些板上的 Cyclone V FPGA 是 Cyclone 10 系列的較早期產(chǎn)品。）

　　Arria 10 器件基于 TSMC 的 20 納米 （nm） 工藝技術(shù)，將雙核 Arm Cortex-A9 MPCore 硬處理器系統(tǒng) （HPS） 與可編程結(jié)構(gòu)組合在一起，該結(jié)構(gòu)還包括強(qiáng)化浮點(diǎn) DSP 塊。Arria 10 還裝載了嵌入式高速收發(fā)器、硬存儲(chǔ)控制器，以及協(xié)議知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 控制器，全都包含在單個(gè)高度集成的封裝中。

　　Arria 10 產(chǎn)品組合中的代表性器件是 10AX022C4U19E3SG。該產(chǎn)品具有 220，000 個(gè)邏輯單元和 240 個(gè) I/O，而且總 RAM 位數(shù)為 13，752，320。Intel 的 DK-DEV-10AX115S-A Arria 10 GX FPGA 評估板（圖 5）是開發(fā)此 FPGA 的合適平臺(tái)。該板讓設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)與測試基于 Arria 10 的 PCI Express （PCIe） 3.0 設(shè)計(jì)；開發(fā)與測試由 DDR4、DDR3、QDR IV 和 RLDRAM III 存儲(chǔ)器組成的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)；并且通過使用 FPGA 夾層卡 （FMC） 連接器連接到由 Intel 合作伙伴提供的 FMC 夾層卡，來開發(fā)模塊化的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

　　Intel 的 Stratix 10 FPGA 和 SoC FPGA 采用 Intel Hyperflex FPGA 架構(gòu)。此器件產(chǎn)品線中的 FPGA 可應(yīng)對高吞吐量系統(tǒng)的需求，其具有最高 10 TFLOPS 的浮點(diǎn)性能，并支持從 28.3 Gbits/s （GX） 到 57.8 Gbits/s 收發(fā)器，后者在最多 144 個(gè)收發(fā)器通道中，能夠滿足 5G 通信、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求。產(chǎn)品變體包括 PCIe Gen4 接口，最高能以每秒傳輸 16 GB 的速度 （GT/s） 提供 x16 配置，以及一種可支持特定 Intel Optane DC 永久性存儲(chǔ)器的全新存儲(chǔ)控制器。

　　Intel 的 DK-DEV-1SGX-L-A Stratix 10 GX FPGA 評估板（圖 6）支持利用 Stratix 10 產(chǎn)品線進(jìn)行開發(fā)。該板讓設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)與測試基于 Stratix 10 的 PCI Express （PCIe） 3.0 設(shè)計(jì)；開發(fā)與測試由 DDR4、DDR3、QDR IV 和 RLDRAM III 存儲(chǔ)器組成的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)；并且通過使用 FPGA 夾層卡 （FMC） 連接器連接到同樣由 Intel 合作伙伴提供的 FMC 夾層卡，開發(fā)模塊化的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

　　使用 Intel 的 FPGA 和 SoCs FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)

　　在本 FPGA 系列文章的第 1 部分中，我們指出這些器件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是讓工程師使用 Verilog 或 VHDL 等硬件描述語言 （HDL），在抽象級別（即寄存器傳送級 ［RTL］）上捕獲設(shè)計(jì)意圖。首先可以對這些 RTL 描述進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其是否符合要求，然后將其傳送給綜合工具，生成用于對 FPGA 進(jìn)行配置（編程）的配置文件。

　　抽象的下一步是捕獲設(shè)計(jì)意圖，主要是使用 C/C++ 之類的編程語言或 SystemC 這樣的特殊實(shí)現(xiàn)工具；后者是一組 C++ 類和宏，可提供事件驅(qū)動(dòng)的仿真接口。這些方法有助于并發(fā)進(jìn)程的仿真，每個(gè)進(jìn)程都使用簡單的 C++ 語法進(jìn)行描述。對于此類描述，可以通過像常規(guī)程序一樣運(yùn)行來進(jìn)行分析和配置，然后傳遞給高級綜合 （HLS） 引擎，由該引擎輸出 RTL，而 RTL 會(huì)傳輸至常規(guī)綜合引擎。

　　Open CL（開放運(yùn)算語言）在概念上更加抽象，該框架適用于編寫可跨異構(gòu)平臺(tái)執(zhí)行的程序。除了 FPGA，這些平臺(tái)還包括中央處理單元 （CPU）、圖形處理單元 （GPU）、數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP），以及其他處理器或硬件加速器。OpenCL 指定用于為這些器件進(jìn)行編程的編程語言（基于 C99 和 C++11），并且指定應(yīng)用程序編程接口 （API），以對平臺(tái)進(jìn)行控制并在運(yùn)算設(shè)備上執(zhí)行程序。

　　對于 Intel FPGA 和 SoC FPGA，用戶使用 Intel 的 Quartus Prime 設(shè)計(jì)軟件為所有產(chǎn)品系列開發(fā)設(shè)計(jì)。該軟件分為三個(gè)版本：Quartus Prime Pro Edition、Quartus Prime Standard Edition 和 Quartus Prime Lite Edition。Pro 和 Standard Edition 需要付費(fèi)許可證，而 Lite Edition 可供免費(fèi)下載。

　　Pro Edition 經(jīng)過優(yōu)化，可借助 Agilex、Stratix 10、Arria 10 和 Cyclone 10 GX 器件系列支持下一代 FPGA 和 SoC FPGA 中的高級功能；Standard Edition 廣泛支持 Cyclone 10 LP 器件系列及其他更早期的器件系列；而 Lite Edition 可免費(fèi)下載而無需許可證文件，為大容量器件系列提供理想的切入點(diǎn)。

　　Intel 提供各式各樣的其他設(shè)計(jì)工具和資源，包括 Intel DSP Builder、Intel 高級綜合 （HLS） 編譯器，以及 Intel FPGA SDK for OpenCL。

　　Intel Distribution of the OpenVINO Toolkit 也非常實(shí)用，可幫助開發(fā)人員構(gòu)建人工智能 （AI）、計(jì)算機(jī)視覺、音頻、語音和語言應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)從邊緣至云的深度學(xué)習(xí)推理。除了 FPGA，該工具套件還支持使用常見的 API，跨 Intel 架構(gòu)和 AI 加速器（CPU、iGPU、Intel 的 Movidius 視覺處理單元 （VPU） 和 Intel 的 Gaussian & Neural Accelerator （GNA））異構(gòu)執(zhí)行。該工具套件由基于 Cyclone V GT FPGA 的 OpenVINO 入門套件提供支持。

　　總結(jié)

　　最佳處理設(shè)計(jì)解決方案常常是由處理器與 FPGA 的組合提供，或由 FPGA 單獨(dú)提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的 FPGA 提供。作為一項(xiàng)技術(shù)，F(xiàn)PGA 多年來發(fā)展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設(shè)計(jì)需求，非常適合智能接口、機(jī)器視覺和人工智能等眾多應(yīng)用。

　　Intel 提供從低到極高范圍、從傳統(tǒng) FPGA 到 SoC FPGA 的可編程器件產(chǎn)品。如上所述，要使用此類器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，Intel 和其他第三方都提供強(qiáng)大的開發(fā)套件和工具，以滿足硬件開發(fā)人員、軟件開發(fā)人員以及人工智能和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)構(gòu)建者的需求。