–  Det är tydligt att konceptet tagits emot väl av industrin. Runt 30 procent av våra kunder använder idag en SoC FPGA. Man hittar dem i en lång rad tillämpningar, säger Stefano Zammattio på Altera.

Han får medhåll av Giles Peckham på Xilinx:

– Zynq 7000 bevisade att vi gjorde rätt den här gången. Det är ett processorcentrerat system och inte FPGA-centrerat som förra gången. Genomslaget har blivit väldigt brett.

Den nya typen av FPGA:er där logiken har sällskap av två hårda processorkärnor i form av Cortex-A9 går under lite olika beteckningar. Altera föredrar SoC FPGA:er medan Xilinx gärna pratar om Zynq eller MPSoC, som uppföljaren till Zynq kallas.

Att mäta framgången i sålda kretsar eller i pengar låter sig inte göras. Varken Xilinx eller Altera avslöjar några siffror men helt klart är att de bidragit till att lyfta företagen i näringskedjan.

– Med FPGA:er har vi sålt en design i taget, det handlar om en funktion som ska implementeras i kisel. Med Zynq är det mer av ett strategiskt val för kunderna, ofta innebär det att kretsarna används i hela organisationen. Vi blir också involverade tidigare i designprocessen där man utvärderar hur de kan användas, säger Giles Peckham.

– Vi har börjat bli ett alternativ för kunder som bara använder en processor eller en DSP tidigare. Där konkurrerar vi med helt andra företag än på FPGA-marknaden, adderar Simon George, som även han arbetar på Xilinx.

Trots att få kunder avslöjar att de använder de nya kretsarna, så är svaren från Xilinx och Altera mycket likartade på frågan om var man hittar dem. System-FPGA:er finns framförallt i industriella produkter, styrsystem, nätverksprodukter, medicintekniska produkter och i bilar.

Just stödsystem till bilförare i så kallade ADAS-system, Advanced Driver Assistance Systems, är en av paradgrenarna. Det handlar om att ta information från en kamera, eventuellt en radar, bilens stabilitetssystem och diverse andra sensorer och använda dessa data för att hjälpa föraren med uppgifter som att hålla sig i filen, titta i döda vinkeln, inte köra på framförvarande bil eller bara upplysa om hastighetsbegränsningar.

– Det är inte bara flexibiliteten som FPGA:an ger. Biltillverkarna uppskattar också att vi lovar att tillverka kretsarna under väldigt många år, säger Simon George.

Enbart Xilinx räknar med att sälja sex miljoner Zynqkretsar till ADAS-system i år och har bland annat Mercedes, BMW, Audi, Honda, Ford, Nissan, Seat, Subaru och Toyota på kundlistan.

Det går att hitta system-FPGA:erna på många andra ställen även om få företag offentligt deklarerat att de använder dem. Två undantag utanför bilindustrin är National Instruments och Keysight som bägge var mycket tidiga användare. De har designat in system-FPGA:erna i instrumenten, där de bearbetar insamlade data. Dessutom kan instrumentanvändarna i många fall implementera egna algoritmer i FPGA:delen.

Ett svenskt företag som utvecklar IP-block till Zynq är Halmstadsföretaget HMS Networks, som bidrar med protokollöversättare för fältbussar.

– Eftersom du är i Norden kan jag säga att trådlös kommunikation också är ett område som uppskattat Zynq, säger Giles Peckham.

Så varför prickade Xilinx och Altera rätt den här gången när tidigare försök misslyckades?

Kanske är det så enkelt som att system-FPGA:erna har processordelen i förarsätet den här gången. Dessutom har de allt finare processgeometrierna lett till att processordelen inte tar särskilt stor del av kiselytan.

En annan förklaring kan vara att snart sagt alla produkter har ett operativsystem som Linux, vilket ställer krav på en lite kraftfullare processor; mjuka implementationer som Microblaze och Nios räcker inte riktigt till.

Ytterligare en förklaring som kan synas självklar men vars styrka underskattades även av leverantörerna, är att slutprodukten blir mindre och strömsnålare när man har en och inte två kretsar.

– Vi är själva förvånade att det är en så stark drivkraft, säger Simon George.

Integrationen har också gjort det möjligt att ha betydligt fler förbindelser mellan de två delarna än när man har två separata kretsar.

– Det är designat för att de ska dela data, minneskontrollern har extrafunktioner för det, säger Stefano Zammattio.

Har man två separata kretsar får man själv skapa gränssnittet till minnet och hantera allokering liksom de konflikter som kan uppstå.

Både Xilinx och Altera är på god väg att lansera en andra generation av system-FPGA:er där processorkärnan byts från Cortex-A9 till -A53. Dessutom ökar antalet kärnor från två till fyra. Kanske ännu intressantare är att processorerna numera har sällskap av en mängd andra hårda block.

Xilinx har därför döpt det senaste tillskotten i Zynqfamiljen till Multiprocessing SoC (MPSoC).

– Den kommer att komplettera de existerande Zynq-kretsarna, inte ersätta dem. Zynq kommer fortfarande att vara det rätta valet för många tillämpningar under lång tid framöver. Det var därför vi ville komma bort från numreringen som vi använt tidigare för nya generationer, säger Simon George.

Utöver de fyra A53-kärnorna har MPSoC två kärnor av typen Cortex-R5 för att hantera realtidsuppgifter. Skärmen styrs av en Mali-400, effekthanteringen i kretsen har en egen processor som stänger av de delar som inte behövs för tillfället och så finns en minneshanterare och en kärna för säkerhet som kryptering och autentisering.

Dessutom går det att få MPSoC med andra hårda kärnor för bland annat videokodning enligt H.265.

Alteras kommande flaggskepp Stratix 10 har tagit ett lite annat spår. Visserligen får den också fyra A53:or men samarbetet med Intel, som den 1 juni lade ett bud på Altera, innebär förutom en ny process även tillgång till processorjättens egenutvecklade byggsätt. Därmed överger Altera tekniken med så kallad interposer, att placera kretsarna på en bärare av kisel som också innehåller ledare, till förmån för Intels EMIB, Embedded Multi-die Interconnected Bridge. I praktiken innebär det att Altera kan göra logiken maximalt stor samtidigt som det går att addera hårda transceivrar av olika typer.

Från start finns transceiverchip för PCIe med datatakter upp till 30 Gbit/s, tillverkade i dagens 20 nm-process. De kopplas ihop med logiken via EMIB, och framöver kan vi vänta oss varianter för exempelvis PCIe med 56 Gbit/s, Ethernet, optisk kommunikation eller andra standarder som kunderna efterfrågar.

En annan nyhet är att Stratix 10 får hårda DSP-block för flyttalsoperationer. Tidigare har DSP-blocken varit avsedda för heltal.

Även när det gäller verktygen har det skett en hel del förbättringar sedan lanseringen för fyra år sedan. Visserligen programmeras FPGA och processor fortfarande separat, men verktygen har blivit snabbare och stödet för processordelen förbättrats med bland annat skräddarsydda Linuxdistributioner.

Ett intressant försök att öka produktiviteten på FPGA-delen är Open CL, programspråket som hämtats från grafikvärlden. Även grafikprocessorerna är som bekant massivt parallella och när man insåg att de kunde användas för mycket mer än just grafik, utvecklades Open CL för att göra dem mer lättillgängliga. Även FPGA:erna har börjat dra nytta av språket.

– Det ökar produktiviteten enormt. Sen kan man kan antingen köra koden som den är efter kompilering, eller så går det att justera den manuellt om man behöver mer prestanda, säger Stefano Zammattio.

Den som ännu inte provat en system-FPGA kan lämpligen köpa något av alla de utvecklingskort som kostar från hundra dollar och uppåt. Då ingår även utvecklingsverktyg och kodexempel.

När det är dags att starta tillverkningen kan man konstatera att även system-FPGA:er följer samma priskurva som vanliga FPGA:er. Det sker en prisreduktion i takt med att processen mognar och utbytet ökar. Idag kostar de enklaste modellerna i lite större volymer mellan 8 och 15 dollar, det är cirka 20 procent billigare än för fyra år sedan.