FPGA+CPU = SoC FPGA

När Altera för första gången på över tio år släpper en FPGA-familj med en hård processorkärna lanseras den som en ny typ av krets, en SoC FPGA. Förhoppningen är att kretsarna ska ta plats i allt från motorstyrningar och övervakningskameror till LTE-basstationer, produkter som redan idag innehåller både processorer och FPGA:er.

För ett år sedan berättade Altera att företaget planerade för en FPGA-familj med en hård variant av Arms processorkärna A9 (länk). Nu kommer detaljerna och de första utvecklingsverktygen, även om själva kislet dröjer ytterligare ett år.

– Att kombinera en Armprocessor med FPGA-logik på samma kisel ger en rad fördelar. Det ökar prestanda, sänker energiförbrukningen med upp till 30 procent, minskar ytan med upp till 55 procent och sänker kostnaden, säger Chris Balough på Altera.

Företaget har valt en tvåkärnig variant av Cortex A9 som kan klockas i 800 MHz över hela det temperaturområde som gäller för industriella produkter (-40°C till +85°C). Den programmerbara logiken finns i två smaker, Cyclone V och Arria V, Alteras enklare familj respektive mellanklassfamilj gjorda i 28 nm-teknik.

Det går att boota logiken och processorkärnorna i valfri ordning och det går också att stänga av logiken när den inte behövs.

– Du kan få ut 4000 DMIPS för mindre än 1,8 watt, säger Chris Balough.

Med full klockfrekvens, maximal mängd logik och dubbla kärnor ökar förbrukningen till 15 watt.

Ett annat prestandamått är att kretsarna klarar upp till 1600 GMACS eller 300 GFLOPS. Dessutom är FPGA-delen förbunden med processorn via en busstruktur som ger över 100 Gbit/s i Cyclonefamiljen respektive 125 Gbit/s i Arria.

På kretsarna finns diverse andra hårda block kopplade via Arms internbuss AXI3, inklusive minneskontrollers med inbyggd felkorrigering. Cyclone har två minneskontrollers medan Arria har fyra. De klarar upp till 51 Gbit/s respektive 170 Gbit/s. Vidare finns enheter för flyttalberäkningar med enkel respektive dubbel precision liksom cacheminnen av L1- och L2-typ.

Självklart finns snabba transceivers för koppla kretsarna till exempelvis PCI Express. Cyclonefamiljens klarar maximalt 5 Gbit/s medan Arrias klarar upp till 10 Gbit/s.

När det gäller logikdelen kommer Cyclone i fyra varianter med 25 000, 40 000, 85 000 eller 110 000 uppslagstabeller medan Arria har 350 000 eller 460 000 uppslagstabeller.

Men hårdvaran är bara en del av lanseringen. Minst lika viktigt är mjukvarustödet. Självklart har kretsarna stöd av Alteras egen utvecklingsmiljö Quartus.

– De verktyg som stödjer Arm idag ska fungera. Man ska inte behöva höra något nytt för att använda dessa, säger Chris Balough.

Men för att underlätta för de potentiella kunderna har Altera tagit fram ett virtuellt utvecklingskort, kallat Virtual Target. Det har utvecklats i samarbete med Synopsys och ska göra det möjligt för kunderna att börja utveckla programvara redan idag, ett år innan kretsarna finns framme.

Virtual Target är binär- och registerkompatibelt med det kommande utvecklingskortet inklusive de minnen som kommer att omge FPGA:n. Det kommer att gå att plugga in en ren Cyclone V eller en Arria V för att få rätt hastighet de uppgifter som utförs av FPGA-delen.

När det gäller operativsystem finns stöd för Linux och VxWorks redan från början.

– Tryck på knappen och Linux bootar på 90 sekunder. Det är snabbare än de flesta hårdvarusystem eftersom man inte behöver ladda till flashminnet. Det går på ett ögonblick att kompilera. Vi tror därför att många inte kommer att gå över till att utveckla mot hårdvaran när den kommer utan fortsätta använda Virtual Target.

Produktionen av kretsarna startar under andra halvåret nästa år och prislappen börjar på 15 dollar i större volymer. Virtual Target finns redan hos utvalda kunder och kostar 25 000 dollar.