Fusion技术将FPGA变成真正的可编程系统级芯片

随着FPGA门数的增加,供应商开始鼓吹真正系统级芯片(SoC)时代的到来,即利用芯片就能实现一些系统的所有逻辑功能。但其与采用单元ASIC方法开发的SoC相比有着巨大的差异:即使是很小的系统级ASIC都常常包括模拟以及数字功能,而FPGA却没有。

“大约10年前,ASIC开始集成各种不同类型的功能,而不只是增加门数。”Actel的首席执行官 John East指出,“我认为现在到了可编程器件也进行这种变革的时候了。”

为此,Actel宣布推出“Fusion”技术。据该公司市场拓展副总裁Dennis Kish介绍,这是一种能将混合信号的模拟功能、闪存以及FPGA结构集成在一起的单片可编程系统芯片,可以满足市场日益增长的对高集成度与灵活性的需求。

图1:Actel Fusion芯片的物理结构

过去,在典型的系统电路中,往往需要模拟电路、存储电路、控制电路等单元。而Fusion技术融合了这些电路,将可编程逻辑的优势带进目前只能采用分立模拟元件和混合信号ASIC的应用领域。

Fusion技术采用独特的工艺,把模拟电路中需要的高电压晶体管、SRAM需要的高性能CMOS、以及基于闪存的FPGA架构、ARM7软核、嵌入式闪存等都集成到同一个芯片。其中,高绝缘性、三井结构以及支持高压晶体管的能力成为Fusion技术的关键。

利用Fusion中的“三井结构”(即在CMOS中加一个“井”,具有高绝缘性),能够有效地隔离数字与模拟信号之间相互干扰的杂散信号。

Dennis介绍了Fusion技术的物理、逻辑以及内部堆栈结构。

在物理结构上,Fusion的硬件模块包括模拟外设和闪存外设。其中,模拟外设可以根据具体的应用进行设置；其次是软模块架构,包括可配置的MCU(可以是ARM内核或者是8051)。在物理结构中,最有特色的是沟通各种外设的“融合主干”总线,连接了模拟外设、闪存外设、FPGA架构中的外设、系统应用以及MCU等。这个融合主干不仅是通用的总线接口,还可将未定序器集成在FPGA架构中,以便对个别外设进行配置,并支持外设数据的低层次处理。

从逻辑的角度来看,Fusion技术包含了底层、第一层、第二层、第三层。其中,底层包括了模拟、闪存、硬连接,所有外设均采用嵌入式标准化接口；第一层则是融合主干总线和控制逻辑,可根据闪存单元的信息配置外设,并可以控制外设之间的通信；第二层则是融合小型应用的附属程序,它可以实现特定功能和软IP,可以由Actel、客户或者合作伙伴提供；第三层则是系统应用,可结合小型应用附属程序进行较大型用户应用,可以选配MCU。其中,第一层、第二层以及第三层都可以通过MCU去实现。在应用过程中,如果需要高性能的应用,则可以通过融合主干交给逻辑门实现,如果需要成本低的应用,则可以通过ARM核去实现。

从Fusion架构的堆栈角度来讲,采用从底层到第三层的分层模型,实现高或低抽象层次的设计,所有外设都是平等处理,无论是硬连线外设或是软IP内核；主干规模可根据外设或小型应用附属程序的数量延展；可快速组合小型应用附属程序,创建大型应用程序；接口设计精良,可集成外部IP和工具。

虽然整体架构集成度很高,但是Dennis介绍:“内部采取了低功耗的电源管理,并采用了低功耗的ARM7,因此功耗非常低。”

此外,从系统开发流程方面,要经过系统建模和划分—设计生成(HDL或C++)—综合/汇编—软件/硬件仿真—硅片调试平台等步骤。

从应用上来看,Fusion可以根据不同的应用层次,通过选择内部功能设置,面向不同层次的应用,如汽车中的仪表应用、工厂自动化的感应器、电池充电管理、血糖监控器、航空中的功率监控等。新的产品将在6至9个月内面市。

目前,众多厂商都在竞相开发可编程系统芯片(PSoC)。例如,前段时间Cypress推出的PSoC具有12个可配置模拟和16个可配置数字组合单元,集成了定时器、计数器和PWM、闪存、SRAM等。与PSoC相比,Dennis认为:“Fusion可配置程度很高,而PSoC相对来讲,可配置程度不高。”

另外,针对PSoC集成“WirelessUSB"等功能,Dennis透露,以后随着应用的发展会增加USB等接口。

作者:黄莺、张国勇