FPGA技術(shù)在項(xiàng)目決策方案中的有關(guān)考慮

引言：FPGA（Field Programmable Gate Array）作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。然而我們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，需要考慮產(chǎn)品材料成本、開發(fā)難易程度、上市時(shí)間、功耗、可擴(kuò)展性（或升級(jí)換代）等眾多因素時(shí)，F(xiàn)PGA可能并非最優(yōu)“六邊形戰(zhàn)士”。本文我們就FPGA的優(yōu)勢(shì)及潛在局限性進(jìn)行介紹，以給于項(xiàng)目技術(shù)決策中參考。

01、FPGA技術(shù)優(yōu)勢(shì)

了解FPGA器件何時(shí)適合實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)功能是理解FPGA技術(shù)的關(guān)鍵要素。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)明白FPGA技術(shù)并不適用于每一個(gè)設(shè)計(jì)或應(yīng)用程序。能夠識(shí)別FPGA技術(shù)何時(shí)適合項(xiàng)目是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)技能。如果產(chǎn)品在生命周期中可能發(fā)生重大功能變化，此時(shí)設(shè)計(jì)者將從FPGA技術(shù)中實(shí)現(xiàn)最大受益。在評(píng)估項(xiàng)目是否采用FPGA技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮以下設(shè)計(jì)特征：

1）設(shè)計(jì)穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)在其使用壽命內(nèi)是否可能經(jīng)歷需要設(shè)計(jì)更新？需求是否足夠穩(wěn)定，可以選擇合適的FPGA家族和器件？

2）上市時(shí)間：是否有一個(gè)非常小的機(jī)會(huì)窗口盈利釋放到市場(chǎng)？是否要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)演示產(chǎn)品功能？替代實(shí)施方案的時(shí)間表如何？

3）性能：是否可以使用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需的功能性能？所需的功能能否在當(dāng)前可用的FPGA器件中實(shí)現(xiàn)？

4）物理限制：設(shè)計(jì)是否需要盡可能低的功耗？設(shè)計(jì)是否需要占用盡可能小的PCB電路板面積？該項(xiàng)目是否存在生產(chǎn)限制？

5）成本：是否有專門的分立組件可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)所需的功能？包括工具、培訓(xùn)和NRE在內(nèi)的替代方案的成本是多少？通過開發(fā)可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)元素，開發(fā)成本是否可以分散到幾個(gè)項(xiàng)目中？是否可以利用預(yù)先實(shí)現(xiàn)的參考設(shè)計(jì)或IP設(shè)計(jì)？

6）可用性：具有所需性能/尺寸的組件能否及時(shí)用于批量生產(chǎn)？是否有實(shí)現(xiàn)所需功能的固定功能組件可用？在產(chǎn)品及其衍生品開發(fā)時(shí)，固定功能實(shí)現(xiàn)是否可重復(fù)使用？

對(duì)于需要快速推向市場(chǎng)的設(shè)計(jì)，可以從FPGA技術(shù)中受益。隨著FPGA設(shè)計(jì)流程的加快，基于FPGA電路板可以與FPGA軟件功功能同步進(jìn)行，這有著顯著的時(shí)間表優(yōu)勢(shì)。如果FPGA是可重新編程的，則設(shè)計(jì)可以在交付給客戶后遠(yuǎn)程更新。

對(duì)于沒有完全定義的需求或功能的設(shè)計(jì)頁(yè)非常適合FPGA，因?yàn)樗鼈儙缀蹩梢栽谠O(shè)計(jì)生命周期的任何階段適應(yīng)功能變化。在交付給客戶之前，基于FPGA的設(shè)計(jì)可能會(huì)經(jīng)歷重大的功能實(shí)現(xiàn)更改和更新。通過正確的設(shè)計(jì)實(shí)施，即使在產(chǎn)品交付給客戶之后，也可以進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。如果預(yù)期當(dāng)前或未來(lái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有增強(qiáng)或修改，則FPGA技術(shù)更加適合應(yīng)用。以下快速摘要提供了FPGA潛在優(yōu)勢(shì)的列表。

表1：FPGA技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)表

02、FPGA技術(shù)潛在的限制

如前所述，F(xiàn)PGA給設(shè)計(jì)帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)是靈活性，即在產(chǎn)品生命周期的任何階段支持更改的能力。與能夠利用FPGA靈活性的設(shè)計(jì)相比，具有明確定義、固定功能的設(shè)計(jì)將受益更少。如果在項(xiàng)目生命周期內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改的需求非常有限，那么FPGA很可能不是該應(yīng)用程序的最佳選擇。以下列表包含一些潛在的限制。
表2：FPGA技術(shù)應(yīng)用潛在限制表

在某些特定應(yīng)用中，F(xiàn)PGA技術(shù)可能不合適。具有堅(jiān)實(shí)、完整需求和穩(wěn)定、固定或成熟功能的項(xiàng)目不太可能非常適合FPGA技術(shù)，因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)無(wú)法從FPGA技術(shù)固有的靈活性中獲得太多好處。

FPGA可能不合適的另一個(gè)領(lǐng)域是具有“最佳”或“最低”要求的項(xiàng)目。具有“最低功率”、“最低分立固定功能組件價(jià)格”或“最高時(shí)鐘速度”等要求的項(xiàng)目可能不是FPGA技術(shù)的理想應(yīng)用。然而，一些具有極端要求的項(xiàng)目可能仍然能夠在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并創(chuàng)造性地應(yīng)用FPGA的優(yōu)勢(shì)。

圖3：分立器件實(shí)現(xiàn)5G收發(fā)鏈路功耗估計(jì)

一個(gè)示例設(shè)計(jì)就是一個(gè)具有高性能信號(hào)處理要求的項(xiàng)目。雖然FPGA組件可能不會(huì)在所有技術(shù)中表現(xiàn)出最快的時(shí)鐘速率，但某些數(shù)據(jù)處理算法可以通過并行架構(gòu)有效地實(shí)現(xiàn)。使用FPGA和適當(dāng)?shù)馁Y源，可以在單個(gè)部件內(nèi)以較低的成本實(shí)現(xiàn)所需的信號(hào)處理功能，具有優(yōu)越的性能和較低的功耗。

03、結(jié)論

基于以上描述，一旦項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成了權(quán)衡研究，并確定FPGA技術(shù)適合他們的設(shè)計(jì)，早期項(xiàng)目決策階段就開始了。對(duì)于FPGA技術(shù)非常適合的項(xiàng)目，懸而未決的問題變成了如何最有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須根據(jù)項(xiàng)目要求、以往經(jīng)驗(yàn)和可用資源，選擇最好的FPGA制造商、器件系列、封裝和部件，后續(xù)文章我會(huì)詳細(xì)介紹相關(guān)內(nèi)容。