對于像AI、邊緣計算、自動駕駛、工業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展空間。

新興市場應用將為FPGA提供廣闊的發展契機

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帶來了發展契機，同時FPGA也會加速AI的應用發展。

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據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。如果所有網絡節點都通過云端服務器處理數據，不但網絡帶寬難以應付，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據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。這種強強聯合的架構瞄準的是數據中心等高端應用，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？

現今嵌入式應用已無處不在，從智能手機到USB充電器，從工業機器人到電動玩具，以ARM為代表的MCU已經無孔不入。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內部集成MCU、DSP、SERDES等模塊，不但可提高集成度，也可為系統設計師節省板上空間。該種集成方案已經搶占了不少傳統DSP/SERDES的市場，相信接下來也會蠶食傳統MCU市場。

這種內嵌MCU的FPGA SoC系統，其實就是利用FPGA可編程的優勢，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，配置成特定內嵌CPU的設備，直接將CPU數據處理功能集成進微型化低密度FPGA，從而極大地拓展了FPGA芯片系統化應用的深度和廣度。

國產首款內嵌MCU的非易失性FPGA SoC

國產FPGA開發商高云半導體最近推出一款集成MCU的FPGA SoC產品GW1NS-2，內嵌了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，具備了實現系統功能所需要的最小內存。其內嵌的FPGA邏輯模塊單元方便靈活，可實現多種外設控制功能，能提供出色的計算能力和異常系統響應中斷功能，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。該類型產品可以完全取代傳統的CPLD，年市場總量約有5億美元。高云小蜜蜂系列產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據，再結合創新的硬件加密技術，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的自主創新。

GW1NS-2首次集成了Cortex-M3 MCU和1.7K LUT FPGA邏輯，實現了可編程邏輯器件和嵌入式處理器的無縫連接，內置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控制、通信、物聯網、伺服驅動、智能家居、安全加密、消費電子等多個領域。

GW1NS不但是國產首款內嵌MCU的非易失性FPGA SoC，同時也是高云半導體布局AI的開端。高云創新性地將低密度、內嵌閃存的非易失FPGA引入消費、控制、物聯網、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。相信這種內嵌MCU的FPGA SoC將推動FPGA在工業圖像識別、語音識別等AI和邊緣計算領域的快速發展。

軟硬一體化的開發平臺

FPGA最大的挑戰是設計，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的設計經驗。為應對這一設計挑戰，高云提供了軟硬件設計一體化的開發平臺。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、產生數據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-2FPGA-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、LED顯示墻系統、各種工業控制/人機界面，以及攝像頭圖像系統等。

目前的FPGA產品很少有集成USB 2.0功能模塊的，因為在傳統觀念上，FPGA都是應用在通信系統和設備上的，很少與消費類產品發生交集。而隨著市場需求的發展，以及FPGA集成度不斷提升、功耗降低，其在消費類產品中的應用也會越來越多。蘋果工程師就對FPGA表現出極大的興趣，而且，在iPhone7中已經用到了FPGA。

GW1NS內置的USB 2.0 PHY硬核模塊包括UTMI+digital和UTMI+AFE(AnalogFront End), 主要用于連接USB控制器和USB PHY。其數據速率高達480Mbps，同時兼容USB1.11.5/12Mbps速率，它支持即插即用和熱插拔。此外，高云的USB TYPE_C CC-Port/PDController IP覆蓋了USB TPYE-C的幾乎所有功能（如圖四所示），可為消費類電子產品的設計者提供完整的USB解決方案。

圖四：GWUSB TYPE_C解決方案（來源：高云半導體）

MIPI聯盟是專門針對移動行業的接口規范產業聯盟，其最新的MIPI I3C接口標準可以解決設備中傳感器數量增長所帶來的挑戰，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聯盟一個新的通訊協議，I3C兼容并擴展了傳統I2C通訊協議，其總線為兩線式串行總線。

高云GW1NS產品內置MIPI D-PHY硬核，符合I3C規范，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、參考設計及開發板等。高云I3C IP及其FPGA設計具有低引線數、可擴展性、低功耗、更高的容量等創新性能，能有效的減少集成電路芯片系統的物理端口，并支持低功耗、高數據速率和其他已有端口協議，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，大部分圖像系統都是采用MIPI 攝像頭串行接口（CSI -2）協議，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，跟傳統的I2C相比，能夠減少引線數并簡化系統實施。

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、物聯網、邊緣計算等新興應用為FPGA帶來了前所未有的發展機遇，FPGA將有可能繼CPU、MCU之后，成為下一代萬物互聯產品和系統的大腦。而內嵌MCU的FPGA無疑將是應對新興需求挑戰的有力武器。高云半導體的GWINS系列產品不但可以滿足這類應用的設計需求，而且也會提升國產FPGA產品的技術含量和市場競爭力。