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。可編程結構是任何 FPGA 的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現，也稱為邏輯元件 （LE）（圖 1（a））。FPGA 結構可進一步擴展，以包括 SRAM 塊（稱為塊 RAM （BRAM））、鎖相環 （PLL） 和時鐘管理器之類的東西（圖 1（b））。此外，還可以添加數字信號處理 （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 僅包含可編程結構和可配置通用 IO （GPIO） （a）；不同架構是在此基本結構上增加其他元件而形成：SRAM 塊、PLL 和時鐘管理器 （b）；DSP 塊和 SERDES 接口 （c）；以及硬處理器內核和外設 （d）。（圖片來源：Max Maxfield）

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

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

　　所有這些供應商都提供多個 FPGA 系列：有的提供 SoC FPGA，有的提供面向人工智能 （AI） 和機器學習 （ML） 應用的器件，有的則提供適用于航天應用的耐輻射器件。由于產品系列眾多，每個系列提供不同的資源，因此為眼前的任務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品，性能和功能從中等到極高都有，并涵蓋傳統 FPGA 到 SoC FPGA（即，將 FPGA 可編程結構和一種或多種強化處理器內核結合在一起的器件）。

　　Intel 的產品系列當前有五個主動 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 Agilex 器件。

圖 2：在 Intel 的五個 FPGA 系列中，其中三個（從成本最低 （Max 10） 到最高容量及性能 （Arria 10））的目標應用和市場覆蓋從板卡管理和 I/O 擴展，一直到嵌入式視覺和軍事/國防。Stratix 10 和更新的 Agilex 器件進一步提升了性能。（圖片來源：Max Maxfield）

　　Intel 的 Max 10 FPGA 集成片載 NOR 閃存，以提供 FPGA 配置。其他產品系列有基于 SRAM 的配置單元，并且會在上電時從板載外部存儲器件或系統的其他位置（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，并與強化微處理器系統集成。

　　MAX 10 FPGA 的集成功能包括模數轉換器 （ADC） 和雙通道配置閃存，后者可提供在單個芯片上存儲與動態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 塊和軟雙倍數據速率 3 （DDR3） 存儲控制器。

　　MAX 10 產品組合中的代表性器件是 10M16SCU169I7P。該產品具有 16，000 個邏輯單元和 130 個輸入/輸出 （I/O），而且總 RAM 位數為 562，176。Intel 的 EK-10M08E144 是適用于 MAX 10 的評估板，另一個是 HINJKIT，這是 Alorium Technology， LLC 的 FPGA 物聯網傳感器集線器開發套件（圖 3）。尤其值得關注的是，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網載板、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 基于收發器的功能、1.4 Gbit/s 低壓差分信號 （LVDS），以及適用于最高 1，866 Mbits/s 數據速率的高達 72 位寬 DDR3 SDRAM 接口。Cyclone 10 GX FPGA 針對機器視覺、視頻連接和智能視覺相機等高帶寬性能應用進行了優化。

　　與之相比，Cyclone 10 LP FPGA 則針對低靜態功耗、低成本應用進行了優化，例如 I/O 擴展、傳感器融合、電機/運動控制、芯片到芯片橋接以及控制應用。GX 和 LP 器件系列都支持垂直遷移，使設計人員從一個器件開始著手設計，然后在未來遷移到相鄰密度。

　　Cyclone 10 產品組合中的代表性器件是 10CL006YU256A7G。該產品具有 6，272 個邏輯單元和 176 個 I/O，而且總 RAM 位數為 276，480。相關的開發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 的產品。（注意，這些板上的 Cyclone V FPGA 是 Cyclone 10 系列的較早期產品。）

　　Arria 10 器件基于 TSMC 的 20 納米 （nm） 工藝技術，將雙核 Arm Cortex-A9 MPCore 硬處理器系統 （HPS） 與可編程結構組合在一起，該結構還包括強化浮點 DSP 塊。Arria 10 還裝載了嵌入式高速收發器、硬存儲控制器，以及協議知識產權 （IP） 控制器，全都包含在單個高度集成的封裝中。

　　Arria 10 產品組合中的代表性器件是 10AX022C4U19E3SG。該產品具有 220，000 個邏輯單元和 240 個 I/O，而且總 RAM 位數為 13，752，320。Intel 的 DK-DEV-10AX115S-A Arria 10 GX FPGA 評估板（圖 5）是開發此 FPGA 的合適平臺。該板讓設計人員能夠開發與測試基于 Arria 10 的 PCI Express （PCIe） 3.0 設計；開發與測試由 DDR4、DDR3、QDR IV 和 RLDRAM III 存儲器組成的存儲器子系統；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，來開發模塊化的可擴展設計。

　　Intel 的 Stratix 10 FPGA 和 SoC FPGA 采用 Intel Hyperflex FPGA 架構。此器件產品線中的 FPGA 可應對高吞吐量系統的需求，其具有最高 10 TFLOPS 的浮點性能，并支持從 28.3 Gbits/s （GX） 到 57.8 Gbits/s 收發器，后者在最多 144 個收發器通道中，能夠滿足 5G 通信、云計算、網絡虛擬化和光纖傳輸網絡的帶寬要求。產品變體包括 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 永久性存儲器的全新存儲控制器。

　　Intel 的 DK-DEV-1SGX-L-A Stratix 10 GX FPGA 評估板（圖 6）支持利用 Stratix 10 產品線進行開發。該板讓設計人員能夠開發與測試基于 Stratix 10 的 PCI Express （PCIe） 3.0 設計；開發與測試由 DDR4、DDR3、QDR IV 和 RLDRAM III 存儲器組成的存儲器子系統；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，開發模塊化的可擴展設計。

　　使用 Intel 的 FPGA 和 SoCs FPGA 進行設計和開發

　　在本 FPGA 系列文章的第 1 部分中，我們指出這些器件的傳統設計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］）上捕獲設計意圖。首先可以對這些 RTL 描述進行仿真，以驗證其是否符合要求，然后將其傳送給綜合工具，生成用于對 FPGA 進行配置（編程）的配置文件。

　　抽象的下一步是捕獲設計意圖，主要是使用 C/C++ 之類的編程語言或 SystemC 這樣的特殊實現工具；后者是一組 C++ 類和宏，可提供事件驅動的仿真接口。這些方法有助于并發進程的仿真，每個進程都使用簡單的 C++ 語法進行描述。對于此類描述，可以通過像常規程序一樣運行來進行分析和配置，然后傳遞給高級綜合 （HLS） 引擎，由該引擎輸出 RTL，而 RTL 會傳輸至常規綜合引擎。

　　Open CL（開放運算語言）在概念上更加抽象，該框架適用于編寫可跨異構平臺執行的程序。除了 FPGA，這些平臺還包括中央處理單元 （CPU）、圖形處理單元 （GPU）、數字信號處理器 （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行編程的編程語言（基于 C99 和 C++11），并且指定應用程序編程接口 （API），以對平臺進行控制并在運算設備上執行程序。

　　對于 Intel FPGA 和 SoC FPGA，用戶使用 Intel 的 Quartus Prime 設計軟件為所有產品系列開發設計。該軟件分為三個版本：Quartus Prime Pro Edition、Quartus Prime Standard Edition 和 Quartus Prime Lite Edition。Pro 和 Standard Edition 需要付費許可證，而 Lite Edition 可供免費下載。

　　Pro Edition 經過優化，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。

　　Intel 提供各式各樣的其他設計工具和資源，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 也非常實用，可幫助開發人員構建人工智能 （AI）、計算機視覺、音頻、語音和語言應用程序，實現從邊緣至云的深度學習推理。除了 FPGA，該工具套件還支持使用常見的 API，跨 Intel 架構和 AI 加速器（CPU、iGPU、Intel 的 Movidius 視覺處理單元 （VPU） 和 Intel 的 Gaussian & Neural Accelerator （GNA））異構執行。該工具套件由基于 Cyclone V GT FPGA 的 OpenVINO 入門套件提供支持。

　　總結

　　最佳處理設計解決方案常常是由處理器與 FPGA 的組合提供，或由 FPGA 單獨提供，或以硬處理器內核作為部分結構的 FPGA 提供。作為一項技術，FPGA 多年來發展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設計需求，非常適合智能接口、機器視覺和人工智能等眾多應用。

　　Intel 提供從低到極高范圍、從傳統 FPGA 到 SoC FPGA 的可編程器件產品。如上所述，要使用此類器件進行設計，Intel 和其他第三方都提供強大的開發套件和工具，以滿足硬件開發人員、軟件開發人員以及人工智能和計算機視覺系統構建者的需求。