CPU+FPGA渐成嵌入式设计主流，Altera“黑天鹅”计划日渐清晰

据称在发现澳大利亚的黑天鹅之前，欧洲人一直认为天鹅都是白色的。而Nassim Nicholas Taleb教授在2007年的《黑天鹅》一书中，将黑天鹅比喻为不可预知的重大事件，它在意料之外，却对社会、历史等发展有着非常重大的影响和推动作用。个人电脑、互联网、两次世界大战以及“9·11”事件等都被喻为黑天鹅事件……

为了加速实现嵌入式系统中可编程逻辑与处理器的集成，公司日前正式对外宣布其全新的嵌入式计划。通过该计划，为设计人员提供了基于Quartus II开发软件的单一设计流程——包括新的Qsys系统级集成工具、公用 IP库，以及新的ARM -A9 MP 和公司32嵌入式处理器产品等。

公司产品及企业市场副总裁Vince Hu表示，推动Altera进行嵌入式计划的主要原因在于，CPU的功耗瓶颈越来越突出，业界早在五年前就已然开始向并行化处理方向演进，多内核和多内核+硬件加速的模式正成为系统设计的主流。而正是理想的加速器实现方案，因为它支持现场可编程。但是，要达到理想的性能，FPGA和CPU之间还需要紧密耦合以减少延迟。面对上述趋势，如何为CPU和可配置加速器提供更多的组合，降低BoM成本以及提供统一的FPGA设计流程成为工程师最为关注的话题。

实际上，目前在嵌入式领域，FPGA已经集成为CPU硬件的协加速器。EETIMES的调查显示，目前有超过42%的嵌入式系统中集成了FPGA；而来自Altera的数据也表明，有超过30%的客户在嵌入式设计中使用了嵌入式软核。“用户完全可以通过更高级的集成与整合来获得系统成本上的消减。”Vince评价说。

他还同时引用了有关“培育黑天鹅”的描述，认为只有体系结构方面“异常的”创新，才有可能填补未来因功耗问题而带来的性能发展瓶颈；而IBM在其企业级服务器 Z10的白皮书中也提出，“在系统开发后期，提供FPGA辅助芯片非常有利于增加新固件，增强卸载功能，IBM希望这一基于硬件的新能够成为未来设计的基础。”

这是近十年来，Altera第三次宣布嵌入式计划。2000年，Altera推出了嵌入处理器系列，包括其自主软核以及集成和32 4Kc两款产品；而在三年前，Altera还推出过ARM -M1软核。

尽管之前的合作非常愉快，但从产品角度来看，确实还有不尽如人意之处。Vince对此并不回避。他解释说，究其原因，主要是因为当时的厂商更愿意采用软件加速而不是价格高昂的硬件加速，再加上集成的CPU内核无论从工艺还是性能上也都无法满足需求。“现在的情况则完全不同了，”Vince认为，“FPGA作为硬件加速器的概念被广泛接受和认同，制造工艺水平相对专用芯片有两个节点的领先，所以我们这次也是有备而来。”

利用新的设计流程，嵌入式设计人员能够迅速方便的面向Altera II、基于ARM和MIPS的嵌入式处理器以及最近发布的可配置 处理器开始设计。Qsys系统级集成工具利用了据称是“业界首创的FPGA优化芯片网络技术”来支持多种业界标准IP协议，提高了结果质量，具有很高的效能。

Vince介绍说，Qsys采用了NoC( On )的概念，因而可利用星形及环形等变化的拓扑结构来增强性能。而以往的SOPC Builder由于是确定的网格形拓扑结构，且在关键通路上不能自动插入Pipeline，单个通路延迟较大，从而影响整个总线性能。

作为该计划的一部分，Altera将继续拓展目前的嵌入式合作伙伴计划，联合ARM、和MIPS技术公司以及FPGA业界的多个合作伙伴。此外，Altera将与他们协作，增强设计流程，支持越来越多的FPGA嵌入式处理产品走向市场。

例如，Intel最近全面发布了即将推出的基于的可配置新处理器“Stellarton”。这一处理器在多芯片封装中含有Intel 系列以及配对的Altera FPGA。对于希望采用专用I/O或者加速硬件的用户而言，这进一步提高了他们的灵活性，还支持开发人员迅速应对需求的变化，从而突出其设计优势。

Altera方面还透露说，今年上半年已经与ARM公司签署了协议，授权包括-A9微处理器在内的多种技术，并将在28nm FPGA技术中提供集成了增强Cortex A9处理器子系统的产品。但该公司拒绝透露更多这些基于ARM处理器的器件的详细信息，只表示，相关产品信息将在2011年陆续发布。

之所以选用Cortex A9，Vince强调说是因为其高性能，具备多核能力，在业界的应用非常普遍，在CPU总体生态环境里也非常完善。将该处理器以硬核的方式集成进FPGA，以满足用户对低功耗和高性能的要求，应该会受到用户的欢迎。

Altera还同时扩展了软核处理器系列产品，即将在2011年上半年推出基于MIPS技术公司MIPS32处理器体系结构的2软核处理器。是Altera、MIPS以及主要用户过去几年密切协作的结果。它针对Altera器件完善了Altera II嵌入式处理器以及合作伙伴软核CPU系列产品，极大的丰富了FPGA可以使用的操作系统和应用程序。

来看，到2011年，Altera公司届时将会拥有 II、MIPS 、ARM Cortex-M1、 Coldfire四款软核、ARM Cortex-A9硬核以及和英特尔合作的可配置处理器，属于“多点开花”。但随之而来的问题在于，相比它的老对手只绑定ARM而言，面对如此众多的处理器产品，Altera是否能提供足够的支持力度？并且理顺这些彼此间激烈竞争的厂商间的关系。

据悉，本季度末，Altera将提供Qsys系统集成工具，它是Quartus II开发软件的一部分。采用FPGA优化芯片网络技术，能够提供存储器映射和数据通路互联，使Altera SOPC Builder工具的性能几乎提高至两倍，同时支持业界标准IP接口，例如ARM的AMBA。相信这对于整个嵌入式产业的发展是有积极意义的。

Qsys将采用使用方便的SOPC Builder界面，支持与现有嵌入式系统移植的后向兼容。而且，这一高级互联技术将支持分层设计、渐进式编译以及部分重新配置方法。Altera将在本季度末发布Qsys和嵌入式计划更详细的信息。