FPOA挑战FPGA新型可重构逻辑芯片拥有大规模并行化阵列

摘要：本文介绍的新型可重构逻辑芯片FPOA拥有大规模并行化阵列，有望在市场上与FPGA等可配置产品展开竞争。关键词：FPOA；FPGA；阵列

两大公司—Altera和Xilinx—统治着FPGA市场，只为少数几家较小的玩家在细分市场的开拓方面留下了一点空间。找出一条能绕过这两家巨无霸的道路成为一个挑战。一家小公司就接受了这样的挑战—MathStar。该公司成立于1997年，总部在Hillsboro，Oregon。MathStar于2004年9月提供了第一种基于FPOA技术的器件的样品，然后根据客户的反馈对其进行了数次改进。经过改进的芯片的样品于2005年8月开始供应，MathStar目前正在研发另一款预计于明年交付的芯片。该公司宣称其产品在12项设计中得到了应用。对象阵列，而非门阵列MathStar将其器件的架构称为可现场编程的对象阵列(field-programmable object array，FPOA)。它由基于SRAM的可编程逻辑构成，与常规的FPGA非常类似，但它能在更抽象的层次上进行编程。设计者是与预先定义了功能的单元所构成的大规模并行阵列打交道，而不是对那些门阵列修修补补。这些单元中的大多数是完全相同、可以自主运行的ALU或者乘法－累加器(MAC)单元。其他的单元则是由ALU和MAC所分享的寄存器阵列。第一种FPOA器件拥有400个上述这些类型的16bit单元，相互间通过紧密耦合的互连架构缀连起来。芯片的外围是SRAM库、外部内存接口、高速并行I/O端口以及通用I/O(GPIO)端口。阵列中所缺少的是一个控制处理器。一个FPOA需要某种主控控制器，如RISC处理器或者微控制器。这一需求使FPOA置身于FPGA和功能齐备的微处理器之间的灰色地带中。它是一个完全可编程的运算机，但它需要一个外部的控制器来完成位流的初始加载以及结果的检索。大多数FPGA也需要主控控制器，虽然某些带有片上的硬件处理器核，而另一些可以依靠自身的门阵列来提供软处理器核。MathStar宣称，通过用定制化设计的功能单元来对FPOA进行预定义，就可以让FPOA发挥出高于采用通用可编程逻辑的FPGA的性能。该公司的第一种器件，MOA1400D，就可以以高达1.0GHz的速度运行—这远远快于常规的FPGA。因为其400种单元中的每一种在每个时钟周期中可以执行一次操作，理论上最大的处理吞吐量为每秒4000亿次操作(BOPS)。此外，MathStar担保，其器件始终以最高的时钟频率运行。这相对于传统的FPGA而言是一个巨大的优势—编程者需要在门阵列上实现复杂的设计时，FPGA常常必须以低于其最高频率的时钟频率运行。MathStar的架构的另一个优势在于适合在成熟的CMOS工艺上制造，而这些工艺并不存在那些最新建立的、代价昂贵的工艺线中所存在的漏电流问题。TSMC在其0.13mm低压工艺(LVOD)上制造MOA1400D，所制造出的产品在运行主要的应用时的典型功耗低于20W。批量达1 000时，最快的1.0GHz器件的价格为285美元。

基本组成单元—“硅对象”MathStar显然在其FPOA架构中融入了某种思想。阵列的基本组成单元是16bit的功能单元和寄存器阵列，MathStar将这些单元称为“硅对象”(商标名而已)。这些是完全定制化的逻辑模块，并非标准的单元或者用通用门阵列综合而成的模型。定制化的电路设计可以容许更高的时钟频率，同时节省硅片面积和功耗。图1示出了3种遍布第一款FPOA芯片的“硅对象”。

图1 MathStar最初创建了3种类型的硅对象：16bit ALU、16bit的乘法－累加(MAC)单元和64输入寄存器阵列。硅对象的设计可以保证互换性，因此不同的FPOA芯片的阵列中，这些对象的构成情况是不同的每一种硅对象的物理尺寸都正好相等，而与互连架构的I/O接口也完全一致，因此在阵列内部，它们是可以互换的。也就是说，MathStar可以生成阵列规模各异、各种硅对象组成情况也不相同的新型FPOA芯片。一旦完成研发，该阵列就专门用于该器件，客户可以对该阵列进行编程，但是不能更改其排列或者硅对象的编制。从这个意义上来说，FPOA更类似于一个大规模的并行微处理器，而不是一个由门阵列堆砌而成的FPGA。它的可编程逻辑可以在更高的层次上完成编程，编程过程更接近于应用软件级，而不是逻辑门级。在更高层次上的可编程性意味着较低的灵活性。不过一片FPOA不仅仅是一片由16bit的功能单元组成的大规模的并行阵列芯片。密集交织的互连架构使得设计者能将硅对象编组，而这种方式无法利用传统的处理器中的多功能单元来实现。从这个意义上来说，FPOA更像是一个FPGA，而非微处理器。例如，设计者可以将多个硅对象捆绑到一起，来执行32bit或者宽度更大的运算，或者并行执行多个任务。或者，设计者也可以将多个硅对象构成的链条链接起来，以便以流水线方式来执行串行任务。FPGA是由逻辑门组成的一片空白芯片，而FPOA则是由功能单元、寄存器阵列和互连构成的一片空白芯片。正如图2所示出的那样，MOA1400D拥有256个ALU、64个MAC单元和80个寄存器阵列，硅对象的总数达到了400个，排列成20

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