對于像AI、邊緣計算、自動駕駛、工業(yè)圖像識別等新興的應用方案來說， FPGA具有靈活的可編程特點，可以快速實現(xiàn)并驗證設計工程師所需要的解決方案。因此，我們看到這些新興的熱門應用領域都對FPGA青睞有加，反過來這也為FPGA提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

新興市場應用將為FPGA提供廣闊的發(fā)展契機

AI要做運算和算法，設計師可以先通過AI開源平臺做訓練，訓練完的模型再通過一些工具移植到FPGA，這樣就變成門檻比較低的設計方式了。FPGA本身的架構對于邏輯推理、低延遲的運算是非常有幫助的， AI應用為FPGA帶來了發(fā)展契機，同時FPGA也會加速AI的應用發(fā)展。

除了AI，邊緣計算也對FPGA有巨大的需求。我們對云服務器都比較熟悉了，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和自動駕駛對邊緣計算也有很大的需求。如果所有網(wǎng)絡節(jié)點都通過云端服務器處理數(shù)據(jù)，不但網(wǎng)絡帶寬難以應付，云端服務器也很難提供實時的決策，這就要求很多信息直接在邊緣終端就地處理。此外，邊緣計算還需要滿足低功耗、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題。

理想的MCU+FPGA架構

雖然FPGA十分靈活，并行運算能力強，其軟核也很方便使用，而新興應用對計算能力和數(shù)據(jù)管理能力的要求越來越高，這就促使FPGA設計師開始構思將處理器與FPGA完美結合的架構，兩者結合可有效提升整體性能。INTEL收購Altera的背后動機其實就是CPU+FPGA的美好愿望。這種強強聯(lián)合的架構瞄準的是數(shù)據(jù)中心等高端應用，而中低端嵌入式市場應用更為廣泛。那么什么樣的架構才能滿足這類需求呢？

現(xiàn)今嵌入式應用已無處不在，從智能手機到USB充電器，從工業(yè)機器人到電動玩具，以ARM為代表的MCU已經(jīng)無孔不入。如果在FPGA中嵌入MCU，再加上一些存儲器和外設接口，這樣的理想架構就可以兼具強大的處理能力和靈活的邏輯編程特性，這不就是AI和邊緣計算等新興應用所需要的超級引擎嗎？

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)設計師節(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，相信接下來也會蠶食傳統(tǒng)MCU市場。

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

國產(chǎn)首款內(nèi)嵌MCU的非易失性FPGA SoC

國產(chǎn)FPGA開發(fā)商高云半導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Flash、USB 2.0 PHY、MIPI D-PHY，以及12bits/16MHz ADC等功能模塊。作為高云半導體首款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，可實現(xiàn)多種外設控制功能，能提供出色的計算能力和異常系統(tǒng)響應中斷功能，具有高性能、低功耗、使用靈活、瞬時啟動、低成本、非易失性、高安全性、封裝類型豐富等特點。

圖一：GW1NS的內(nèi)部模塊結構圖（資料來源：高云半導體）

圖二：高云GWINS參考設計開發(fā)板（資料來源：高云半導體）

目前，在全球低密度、非易失性FPGA市場，高云的主要競爭對手就是Lattice，Xilinx較少涉足這一細分市場。該類型產(chǎn)品可以完全取代傳統(tǒng)的CPLD，年市場總量約有5億美元。高云小蜜蜂系列產(chǎn)品采用閃存工藝技術，可以多次編程，具有更強的靈活性和可復用性。另外，非易失性可以有效保護用戶的私密信息和數(shù)據(jù)，再結合創(chuàng)新的硬件加密技術，可對設計進行良好的保護，避免令客戶頭疼的抄襲設計問題。這不但有利于專利技術的保護，也有益于推動中國科技企業(yè)的自主創(chuàng)新。

GW1NS-2 首次集成了Cortex-M3 MCU和1.7K LUT FPGA邏輯，實現(xiàn)了可編程邏輯器件和嵌入式處理器的無縫連接，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準，可大幅降低用戶成本，能夠廣泛應用于工業(yè)控制、通信、物聯(lián)網(wǎng)、伺服驅(qū)動、智能家居、安全加密、消費電子等多個領域。

GW1NS不但是國產(chǎn)首款內(nèi)嵌MCU的非易失性FPGA SoC，同時也是高云半導體布局AI的開端。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、控制、物聯(lián)網(wǎng)、安全、AI等多個領域，充分利用MCU和FPGA的互補特性以及USB PHY、ADC靈活外設, 大大拓寬了FPGA的應用市場。相信這種內(nèi)嵌MCU的FPGA SoC將推動FPGA在工業(yè)圖像識別、語音識別等AI和邊緣計算領域的快速發(fā)展。

軟硬一體化的開發(fā)平臺

FPGA最大的挑戰(zhàn)是設計，不但要有靈活方便的EDA設計工具，而且也要求工程師具有相當?shù)脑O計經(jīng)驗。為應對這一設計挑戰(zhàn)，高云提供了軟硬件設計一體化的開發(fā)平臺。GW1NS-2應用設計需要FPGA構架的硬件設計，以及嵌入式微處理器的軟件設計，兩者有機結合才能夠大幅提高用戶設計的效率。

FPGA硬件設計工具能夠完成FPGA綜合、布局、布線、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計可利用安裝在PC上的軟件設計工具（Ecplise/Keil Compiler、Linker、 Debugger），編寫C語言程序，然后編譯成軟件二進制文檔，經(jīng)軟件設計工具保存到連接嵌入式微處理器的儲存器之中。

圖三：GW1NS-2 FPGA-SoC的應用設計結合軟硬件設計流程（來源：高云半導體）

典型應用設計實例

GW1NS系列的典型應用包括：無人機伺服電機控制器、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，因為在傳統(tǒng)觀念上，F(xiàn)PGA都是應用在通信系統(tǒng)和設備上的，很少與消費類產(chǎn)品發(fā)生交集。而隨著市場需求的發(fā)展，以及FPGA集成度不斷提升、功耗降低，其在消費類產(chǎn)品中的應用也會越來越多。蘋果工程師就對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(Analog Front End), 主要用于連接 USB控制器和 USB PHY。其數(shù)據(jù)速率高達480Mbps，同時兼容 USB1.1 1.5/12Mbps速率，它支持即插即用和熱插拔。此外，高云的USB TYPE_C CC-Port/PD Controller IP覆蓋了USB TPYE-C的幾乎所有功能（如圖四所示），可為消費類電子產(chǎn)品的設計者提供完整的USB解決方案。

圖四：GW USB TYPE_C解決方案（來源：高云半導體）

MIPI聯(lián)盟是專門針對移動行業(yè)的接口規(guī)范產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，其最新的MIPI I3C接口標準可以解決設備中傳感器數(shù)量增長所帶來的挑戰(zhàn)，尤其是智能手機市場，一款手持設備中往往需要10個傳感器和20個邏輯信號支持。做為MIPI聯(lián)盟一個新的通訊協(xié)議，I3C兼容并擴展了傳統(tǒng)I2C通訊協(xié)議，其總線為兩線式串行總線。

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IP軟核、參考設計及開發(fā)板等。高云I3C IP及其FPGA設計具有低引線數(shù)、可擴展性、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，為支持移動手持設備、智能駕駛、IOT設計添加了許多增強的特性。

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的攝像機控制接口（ CCI ）采用 I3C 接口，跟傳統(tǒng)的I2C相比，能夠減少引線數(shù)并簡化系統(tǒng)實施 。

圖五：基于高云GW1NS的I3C攝像頭模組 （來源：高云半導體）

結語

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等新興應用為FPGA帶來了前所未有的發(fā)展機遇，F(xiàn)PGA將有可能繼CPU、MCU之后，成為下一代萬物互聯(lián)產(chǎn)品和系統(tǒng)的大腦。而內(nèi)嵌MCU的FPGA無疑將是應對新興需求挑戰(zhàn)的有力武器。高云半導體的GWINS系列產(chǎn)品不但可以滿足這類應用的設計需求，而且也會提升國產(chǎn)FPGA產(chǎn)品的技術含量和市場競爭力。