30年的低成本创新

　　中国有句俗话叫“30年河东，30年河西”，Altera在1984年发布了第一款非易失PLD EP300器件，30年间，可编程器件在性能上不断发展甚至挑战摩尔定律，工艺技术也有了长足的进步，电子设计领域出现了很多替代品，而终端应用领域更是发生了翻天覆地的变化，这一定是PLD的发明者不曾想到的。最近一年，终端需求也使得芯片领域加速创新。就Altera来说，在过去6个月，其相继发布了3款足够“有料”的FPGA及SoC系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10，它们都是Altera在创新大潮中重磅推出的“第10代”（Generation 10）产品，也为Altera第4个十年打下了的基础。

　　今天的主角是MAX 10，它早在定义之初就被封为“下一代非易失FPGA”，近日，Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生在与记者分享了将在10月1日正式开始提供的MAX 10 FPGA的一些特性，我们也来探究一下它是否真的“实至名归”。

　　图1 Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生

　　Patrick试图先用“老朋友”这个形象来拉近与中国的距离：“30年前，Altera就为中国提供低成本的可编程器件，中国市场逐渐成为Altera最重要的市场之一，例如，中国知名通信基础设施公司的产品逐渐把Altera的器件作为核心部件。”Altera这款新FPGA以本来为CPLD系列“头衔”的“MAX”来命名，也是想突出其延续了Altera可编程产品物美价廉的传统，而低成本的MAX 10所拥有的一些性能通常只有高端FPGA才具备。

　　系统级的集成

　　传统的FPGA系统（如电机控制或汽车娱乐系统）主要由32位处理器、FPGA、电源模块以及大量的外部模拟器件构成，32位处理器作为主处理器，FPGA做加速或者其他补充功能。Altera此次把大量的外围器件（包括振荡器、时钟、模数转换器、温度传感器等）集成到MAX 10中，而过去系统的核心32位处理器也可以用Altera的软核处理器Nios II来替代，这能够让电板面积减小50%。需要指出的是，集成到FPGA的模拟器件（如12位SAR ADC），其性能可以与单独的器件媲美，而集成到FPGA内部以后，不但减小了版级面积，还降低了物料成本，并片内系统监测和测量状态。Patrick还特意演示了MAX 10的模拟部分功能（请看文章结尾处视频），他还爆料称：将来Altera还可能把电源系统也集成到FPGA内部。

　　图2 新旧FPGA系统对比图

　　嵌入式闪存提高系统价值

　　现在不管是处理器厂商还是FPGA厂商都在热衷于做“集成”，把更多的模拟部分、多个处理器集成到芯片中，这也促进了近几年SoC迅速发展。而“集成热”也导致了另一个问题：芯片差异化更加，这也使得厂商需要从其他角度去探索如何差异化以提高系统价值。

　　Altera找到了很好的切入点——嵌入式闪存工艺。为什么嵌入式闪存事关重大呢？Patrick总结为4点：（1）降低了成本，因为减少了BOM并实现了更小的电板面积；（2）降低了系统风险，因为要管理的供应商减少了，简化了PCB设计，并可以维持较长的产品生命周期；（3）失效安全远程更新，其能存储两个配置镜像，在远程系统更新的同时不影响系统本身的运行；（4）由于其瞬时接通配置和上电排序功能而提高了系统管理效率。MAX 10中的闪存（NOR）包括1个用户闪存和两个配置闪存。总所周知，闪存的功耗和成本对于芯片设计来说是一个挑战，MAX 10的功耗范围为100 mW（待机时）~1 W(运行在200 MHz时)，价格也是很低的。Patrick透露：MAX 10之所以可以实现低功耗和低成本，并且实现双配置闪存和用户闪存，除了芯片本身的设计优化，最重要的是采用了台积电（TSMC） 55 nm嵌入式闪存工艺。可惜的是，尽管双配置闪存这种功能很实用，但基于工艺差异，目前也不能推广到其他FPGA系列。

　　MAX 10的嵌入式处理功能也帮助其提高了系统价值。Patrick详细进行了：（1）MAX 10是单芯片嵌入式处理器系统，有软核Nios II处理器支持、更小的引脚布局且不需要外部RAM或者存储；（2）用户可定制处理器，具有MCU所不具备的灵活性；（3）支持实时应用，在10 ms内完成配置，这点是汽车和工业应用特别看重的；（4）维持较长的产品生命周期。