對(duì)于像AI、邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛、工業(yè)圖像識(shí)別等新興的應(yīng)用方案來(lái)說(shuō)，FPGA具有靈活的可編程特點(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)工程師所需要的解決方案。因此，我們看到這些新興的熱門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域都對(duì)FPGA青睞有加，反過(guò)來(lái)這也為FPGA提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

新興市場(chǎng)應(yīng)用將為FPGA提供廣闊的發(fā)展契機(jī)

AI要做運(yùn)算和算法，設(shè)計(jì)師可以先通過(guò)AI開(kāi)源平臺(tái)做訓(xùn)練，訓(xùn)練完的模型再通過(guò)一些工具移植到FPGA，這樣就變成門(mén)檻比較低的設(shè)計(jì)方式了。FPGA本身的架構(gòu)對(duì)于邏輯推理、低延遲的運(yùn)算是非常有幫助的，AI應(yīng)用為FPGA帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)，同時(shí)FPGA也會(huì)加速AI的應(yīng)用發(fā)展。

除了AI，邊緣計(jì)算也對(duì)FPGA有巨大的需求。我們對(duì)云服務(wù)器都比較熟悉了，谷歌、微軟和阿里云等大型數(shù)據(jù)中心都在使用高性能、高密度的FPGA。然而，IoT和自動(dòng)駕駛對(duì)邊緣計(jì)算也有很大的需求。如果所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)云端服務(wù)器處理數(shù)據(jù)，不但網(wǎng)絡(luò)帶寬難以應(yīng)付，云端服務(wù)器也很難提供實(shí)時(shí)的決策，這就要求很多信息直接在邊緣終端就地處理。此外，邊緣計(jì)算還需要滿(mǎn)足低功耗、低成本及小面積等要求，而便于配置各種IO接口的FPGA就可以完美地解決這些問(wèn)題。

理想的MCU+FPGA架構(gòu)

雖然FPGA十分靈活，并行運(yùn)算能力強(qiáng)，其軟核也很方便使用，而新興應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)管理能力的要求越來(lái)越高，這就促使FPGA設(shè)計(jì)師開(kāi)始構(gòu)思將處理器與FPGA完美結(jié)合的架構(gòu)，兩者結(jié)合可有效提升整體性能。INTEL收購(gòu)Altera的背后動(dòng)機(jī)其實(shí)就是CPU+FPGA的美好愿望。這種強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的架構(gòu)瞄準(zhǔn)的是數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用，而中低端嵌入式市場(chǎng)應(yīng)用更為廣泛。那么什么樣的架構(gòu)才能滿(mǎn)足這類(lèi)需求呢？

現(xiàn)今嵌入式應(yīng)用已無(wú)處不在，從智能手機(jī)到USB充電器，從工業(yè)機(jī)器人到電動(dòng)玩具，以ARM為代表的MCU已經(jīng)無(wú)孔不入。如果在FPGA中嵌入MCU，再加上一些存儲(chǔ)器和外設(shè)接口，這樣的理想架構(gòu)就可以兼具強(qiáng)大的處理能力和靈活的邏輯編程特性，這不就是AI和邊緣計(jì)算等新興應(yīng)用所需要的超級(jí)引擎嗎？

在FPGA內(nèi)部集成MCU、DSP、SERDES等模塊，不但可提高集成度，也可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師節(jié)省板上空間。該種集成方案已經(jīng)搶占了不少傳統(tǒng)DSP/SERDES的市場(chǎng)，相信接下來(lái)也會(huì)蠶食傳統(tǒng)MCU市場(chǎng)。

這種內(nèi)嵌MCU的FPGA SoC系統(tǒng)，其實(shí)就是利用FPGA可編程的優(yōu)勢(shì)，將用戶(hù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景所需要的非固定接口與外設(shè)，由中低密度FPGA可編程邏輯單元來(lái)編程實(shí)現(xiàn)，配置成特定內(nèi)嵌CPU的設(shè)備，直接將CPU數(shù)據(jù)處理功能集成進(jìn)微型化低密度FPGA，從而極大地拓展了FPGA芯片系統(tǒng)化應(yīng)用的深度和廣度。

國(guó)產(chǎn)首款內(nèi)嵌MCU的非易失性FPGA SoC

國(guó)產(chǎn)FPGA開(kāi)發(fā)商高云半導(dǎo)體最近推出一款集成MCU的FPGA SoC產(chǎn)品GW1NS-2，內(nèi)嵌了ARM Cortex- M3、分布式RAM、BRAM、用戶(hù)Flash、USB 2.0 PHY、MIPI D-PHY，以及12bits/16MHz ADC等功能模塊。作為高云半導(dǎo)體首款FPGA-SoC器件，GW1NS-2以ARM Cortex-M3硬核處理器為核心，具備了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的最小內(nèi)存。其內(nèi)嵌的FPGA邏輯模塊單元方便靈活，可實(shí)現(xiàn)多種外設(shè)控制功能，能提供出色的計(jì)算能力和異常系統(tǒng)響應(yīng)中斷功能，具有高性能、低功耗、使用靈活、瞬時(shí)啟動(dòng)、低成本、非易失性、高安全性、封裝類(lèi)型豐富等特點(diǎn)。

圖一：GW1NS的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖（資料來(lái)源：高云半導(dǎo)體）

圖二：高云GWINS參考設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板（資料來(lái)源：高云半導(dǎo)體）

目前，在全球低密度、非易失性FPGA市場(chǎng)，高云的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手就是Lattice，Xilinx較少涉足這一細(xì)分市場(chǎng)。該類(lèi)型產(chǎn)品可以完全取代傳統(tǒng)的CPLD，年市場(chǎng)總量約有5億美元。高云小蜜蜂系列產(chǎn)品采用閃存工藝技術(shù)，可以多次編程，具有更強(qiáng)的靈活性和可復(fù)用性。另外，非易失性可以有效保護(hù)用戶(hù)的私密信息和數(shù)據(jù)，再結(jié)合創(chuàng)新的硬件加密技術(shù)，可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行良好的保護(hù)，避免令客戶(hù)頭疼的抄襲設(shè)計(jì)問(wèn)題。這不但有利于專(zhuān)利技術(shù)的保護(hù)，也有益于推動(dòng)中國(guó)科技企業(yè)的自主創(chuàng)新。

GW1NS-2首次集成了Cortex-M3 MCU和1.7K LUT FPGA邏輯，實(shí)現(xiàn)了可編程邏輯器件和嵌入式處理器的無(wú)縫連接，內(nèi)置USB 2.0 PHY、MIPI D-PHY和ADC等IO硬核，兼容多種外圍器件標(biāo)準(zhǔn)，可大幅降低用戶(hù)成本，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、物聯(lián)網(wǎng)、伺服驅(qū)動(dòng)、智能家居、安全加密、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。

GW1NS不但是國(guó)產(chǎn)首款內(nèi)嵌MCU的非易失性FPGA SoC，同時(shí)也是高云半導(dǎo)體布局AI的開(kāi)端。高云創(chuàng)新性地將低密度、內(nèi)嵌閃存的非易失FPGA引入消費(fèi)、控制、物聯(lián)網(wǎng)、安全、AI等多個(gè)領(lǐng)域，充分利用MCU和FPGA的互補(bǔ)特性以及USB PHY、ADC靈活外設(shè), 大大拓寬了FPGA的應(yīng)用市場(chǎng)。相信這種內(nèi)嵌MCU的FPGA SoC將推動(dòng)FPGA在工業(yè)圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等AI和邊緣計(jì)算領(lǐng)域的快速發(fā)展。

軟硬一體化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

FPGA最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)，不但要有靈活方便的EDA設(shè)計(jì)工具，而且也要求工程師具有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為應(yīng)對(duì)這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，高云提供了軟硬件設(shè)計(jì)一體化的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。GW1NS-2應(yīng)用設(shè)計(jì)需要FPGA構(gòu)架的硬件設(shè)計(jì)，以及嵌入式微處理器的軟件設(shè)計(jì)，兩者有機(jī)結(jié)合才能夠大幅提高用戶(hù)設(shè)計(jì)的效率。

FPGA硬件設(shè)計(jì)工具能夠完成FPGA綜合、布局、布線(xiàn)、產(chǎn)生數(shù)據(jù)流文件及下載等一站式工作。嵌入式微處理器軟件設(shè)計(jì)可利用安裝在PC上的軟件設(shè)計(jì)工具（Ecplise/Keil Compiler、Linker、Debugger），編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，然后編譯成軟件二進(jìn)制文檔，經(jīng)軟件設(shè)計(jì)工具保存到連接嵌入式微處理器的儲(chǔ)存器之中。

圖三：GW1NS-2FPGA-SoC的應(yīng)用設(shè)計(jì)結(jié)合軟硬件設(shè)計(jì)流程（來(lái)源：高云半導(dǎo)體）

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

GW1NS系列的典型應(yīng)用包括：無(wú)人機(jī)伺服電機(jī)控制器、USB Type C CD/PD方案、智能電源管理系統(tǒng)、LED顯示墻系統(tǒng)、各種工業(yè)控制/人機(jī)界面，以及攝像頭圖像系統(tǒng)等。

目前的FPGA產(chǎn)品很少有集成USB 2.0功能模塊的，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)觀念上，F(xiàn)PGA都是應(yīng)用在通信系統(tǒng)和設(shè)備上的，很少與消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品發(fā)生交集。而隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展，以及FPGA集成度不斷提升、功耗降低，其在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多。蘋(píng)果工程師就對(duì)FPGA表現(xiàn)出極大的興趣，而且，在iPhone7中已經(jīng)用到了FPGA。

GW1NS內(nèi)置的USB 2.0 PHY硬核模塊包括UTMI+digital和UTMI+AFE(AnalogFront End), 主要用于連接USB控制器和USB PHY。其數(shù)據(jù)速率高達(dá)480Mbps，同時(shí)兼容USB1.11.5/12Mbps速率，它支持即插即用和熱插拔。此外，高云的USB TYPE_C CC-Port/PDController IP覆蓋了USB TPYE-C的幾乎所有功能（如圖四所示），可為消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者提供完整的USB解決方案。

圖四：GWUSB TYPE_C解決方案（來(lái)源：高云半導(dǎo)體）

MIPI聯(lián)盟是專(zhuān)門(mén)針對(duì)移動(dòng)行業(yè)的接口規(guī)范產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，其最新的MIPI I3C接口標(biāo)準(zhǔn)可以解決設(shè)備中傳感器數(shù)量增長(zhǎng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，尤其是智能手機(jī)市場(chǎng)，一款手持設(shè)備中往往需要10個(gè)傳感器和20個(gè)邏輯信號(hào)支持。做為MIPI聯(lián)盟一個(gè)新的通訊協(xié)議，I3C兼容并擴(kuò)展了傳統(tǒng)I2C通訊協(xié)議，其總線(xiàn)為兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)。

高云GW1NS產(chǎn)品內(nèi)置MIPI D-PHY硬核，符合I3C規(guī)范，可以支持Full HD1080P的圖像處理。該公司還提供SDR-模式I3C IP (Master-Slave-Combined )高速串行接口解決方案，包括相關(guān)IP軟核、參考設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)板等。高云I3C IP及其FPGA設(shè)計(jì)具有低引線(xiàn)數(shù)、可擴(kuò)展性、低功耗、更高的容量等創(chuàng)新性能，能有效的減少集成電路芯片系統(tǒng)的物理端口，并支持低功耗、高數(shù)據(jù)速率和其他已有端口協(xié)議，為支持移動(dòng)手持設(shè)備、智能駕駛、IOT設(shè)計(jì)添加了許多增強(qiáng)的特性。

目前，大部分圖像系統(tǒng)都是采用MIPI 攝像頭串行接口（CSI -2）協(xié)議，用于連接各種圖像傳感器。而基于高云GW1NS的攝像機(jī)控制接口（CCI ）采用I3C 接口，跟傳統(tǒng)的I2C相比，能夠減少引線(xiàn)數(shù)并簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)施。

圖五：基于高云GW1NS的I3C攝像頭模組（來(lái)源：高云半導(dǎo)體）

結(jié)語(yǔ)

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等新興應(yīng)用為FPGA帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，F(xiàn)PGA將有可能繼CPU、MCU之后，成為下一代萬(wàn)物互聯(lián)產(chǎn)品和系統(tǒng)的大腦。而內(nèi)嵌MCU的FPGA無(wú)疑將是應(yīng)對(duì)新興需求挑戰(zhàn)的有力武器。高云半導(dǎo)體的GWINS系列產(chǎn)品不但可以滿(mǎn)足這類(lèi)應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，而且也會(huì)提升國(guó)產(chǎn)FPGA產(chǎn)品的技術(shù)含量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。