近年来市场上出现了一种新型态的半导体元件,称为SoC FPGA,试图在单一晶片上结合ARM CPU核心和可程式逻辑阵列两种技术,以实现灵活性、可配置性与效能的目标。
事实上,几年前,FPGA业者也曾经将CPU核心整合到逻辑阵列中,但并没有成功。主要原因是,当初是以硬连线方式嵌入CPU,它基本上还是一颗FPGA元件,由于软体编程方式完全不同,再加上效能有限与缺乏生态系统奥援,很快地就被市场淘汰。
随着制程进展到28奈米,为FPGA业者带来更高的整合能力,新一代SoC FPGA的概念是将ARM核心、逻辑阵列以及硬IP周边结合,开机时,处理单元最先启动,由于作业系统的执行与逻辑阵列相互独立,因此便可保有与原有ARM-based SoC相同的软体编程模式。
基于此设计方式,才真正发挥了结合CPU核心效能与逻辑阵列的设计灵活性。而且,重要的是,不一定是FPGA设计人员就能利用此新一代元件开发SoC。
图一 : Zynq系列组件的出现,为半导体产业带来了一个全新的产品类型。 |
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图片来源:Xilinx
SoC FPGA可扮演推动创新要角
Xilinx可说是开发SoC FPGA的先驱者,该公司从2008年开始投入全新Zynq系列元件,并于2011年第四季正式上市,到今年第一季进入全数量产。同时,Xilinx也积极建构完整的生态系统,从作业系统、中介软体、通讯堆叠到工具/软体伙伴、设计服务、开发板,以及周边IP等一应俱全。
Xilinx台湾区总经理王汉杰指出,Zynq系列元件的出现,不仅为半导体产业带来了一个全新的产品类型,而且可扮演推动创新的重要角色,尤其是对台湾业者来说。
众所皆知,半导体制程进入28奈米后,开发一颗ASIC SoC需要昂贵的IP、EDA、人才与生态系统支援,让台湾许多资源有限的中小型IC设计公司难以竞逐。 「要授权一颗ARM A9核心需要昂贵的授权金额,若没有十足的回收把握,谁敢随便开发一颗28奈米SoC?」他说。
但随着SoC FPGA元件的问世,情况可以完全改观。王汉杰表示,利用Zynq,业者就拥有了双核心ARM A9的强大功能,再配合周边可程式逻辑的配置,便可针对特定应用开发SoC,测试市场接受度。虽然晶片单价仍会比ASIC SoC贵一些,但可节省高昂的设计成本与开发时间。
如此一来,业者便可在创新应用萌芽期就率先进入市场,等到市场有大量需求时,再转而开发ASIC也不迟,如此便能享有更佳的商机掌握度,大幅降低了进入新市场的门槛。
面对中国IC设计业的快速崛起,他认为,少量多样、高毛利的市场才是台湾的利基,我们无需去竞逐大量市场的削价竞争。 「台湾电子产业过去多年来在cost down思维的魔咒钳制下,阻碍了创新发展。但我相信,许多资深工程师仍保有热情,但只欠缺能够让他们发挥创意的工具与平台。」
也因此,对业者来说,SoC FPGA元件提供了另一种可能性,使得SoC创新不再意味着需要高昂成本。
图二 : Xilinx台湾区总经理王汉杰指出,SoC FPGA可扮演推动创新的重要角色。 |
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传产科技化 台湾业者的利基所在
另一方面,台湾有许多表现亮眼的传统产业,像是工具机、自行车、纺织、五金、汽车零件等。他认为,传统产业的科技化将能为台湾的电子产业带来新活水,而不再只是将眼光局限于开发各类3C产品。
「这些传统业者有扎实的根基,但缺乏优秀的科技人才投入。如果我们的电子业者愿意将更多眼光放在协助这些传统产业进行升级,将能脱离红海,开创出一片新天地。」
甫于今年初在德国举行的嵌入式大会上,已经有多家业者展示采用Zynq的设计成果,涵盖驾驶辅助系统、生物感测器、机器视觉、马达控制、工业控制、即时视讯引擎等各种应用。
而以目前台湾业者的应用来看,已经有业者利用Zynq开发机器视觉用的相机模组、博奕机台、视讯会议设备、3D影像撷取、数位示波器、无人飞机、可携式超音波装置、 LCD检测机台等各式各样的应用。
王汉杰以博奕机台产业为例,这就是典型的少量多样、高毛利的市场,而且急需创新人才投入。所以,Xilinx也将积极透过与学校合作,培养更多SoC FPGA人才。
王汉杰表示,过去由于SoC设计门槛太高,通常学生在学校能玩MCU设计就已经不错了,不可能实际开发SoC。但现在,利用Zynq,只需要几百美元的开发板,就能让学生提早在学校就学习如何开发SoC。这对于提升SoC设计人才来说,具有非常重要的意义。
随着Zynq崭露头角,Xilinx也获得了ARM的肯定与支援。从今年开始,提供国内大学院校半导体人才竞技平台的ARM Code-O-Rama 设计竞赛首度新增了Cortex-A平台组项目,就是采用Xilinx的Zynq评估与开发套件进行开发。
王汉杰强调,SoC人才养成不易,ARM看好A9核心将是未来五年主流,因此也协助推广Zynq平台元件,让SoC的设计门槛降低。透过与学校合作,让大专院校学生能提早学习SoC设计流程,实现创意,这对提升台湾年轻学子的SoC设计能力有很大助益。
王汉杰念兹在兹的是,Zynq元件能为台湾业者带来的创新机会,业绩好坏倒成了其次。他甚至指出,未来一个宅男也可以成立工作室开发创新SoC,当这样的情况真的出现时,正代表了台湾处处都有创新设计的活力。