ПЛИС объединяются с ЦПУ — наступает эра СнК ПЛИС

Первое десятилетие, когда полупроводниковая отрасль прилагала усилия для объединения ПЛИС и ЦПУ, ознаменовалось как успехами, так и провалами. Первые СнК ПЛИС, включавшие аппаратные ядра ЦПУ, встроенные в структуру ПЛИС, имели скромный коммерческий успех. В то же время использование программных ЦПУ на ПЛИС хорошо принималось, что говорило о серьезном стремлении рынка к интеграции технологий ПЛИС и ЦПУ. В настоящее время ряд новых факторов меняет сложившееся положение дел, для СнК ПЛИС наступает переломный момент, после которого они начнут широкое распространение на рынке. Среди прочего эти факторы включают успехи фундаментальной физики и технологий производства.
Первый фундаментальный фактор — экономика закона Мура. Следование закону Мура становится все более обременительным. Строительство фабрик по производству передовых КМОП-микросхем стоит 6–10 млрд долл. Исходя из того, что серийное производство нового полупроводникового изделия оценивается в 40 млн долл., оно должно принести 100 млн долл. общей прибыли (при условии типовой модели прибыльности, 20% дохода в которой тратится на НИОКР). При типичных значениях процента валовой прибыли — 50% — фирма должна занять рынок объемом 200 млн долл. или более. За исключением рынков потребительской электроники, мобильных устройств и ПК очень немногие приложения обеспечивают подобные объемы продаж, поэтому трудно обосновать инвестиции в изделие, выполняющее только одну фиксированную функцию.
По мере перехода на новые техпроцессы стоимость изготовления возрастает, и становится еще труднее экономически обосновать производство изделий, выполняющих только одну функцию.
В 2000 г. ПЛИС изготавливались по 130-нм техпроцессу, а тогдашние ЦПУ — по 90-нм процессу. В силу доступности более передовых ЦПУ потребность в первом поколении СнК ПЛИС была не столь очевидной. Однако в настоящее время передовые ПЛИС нацелены на 28-нм процесс, который используется сейчас в сравнительно немногих коммерческих ЦПУ или специализированных ИС. Подобное технологическое преимущество ПЛИС существенно увеличивает рыночный потенциал этих интегрированных устройств, возрастает и стремление производителей к инвестициям в них, т.к. разработчикам не нужно идти на компромисс, учитывая возможности ЦПУ (см. рис. 1).

Рис. 1. Расхождение между технологиями базовой программируемой логики и специализированных ИС

В 2000 г. ПЛИС были еще сравнительно дороги и поэтому использовались реже, чем аналогичные CPLD или PAL.Однако в последнее десятилетие ПЛИС на основе SRAM сумели «оседлать» кривую снижения цен КМОП. Теперь ежегодные обзоры встраиваемых систем показывают, что почти 50% встраиваемых систем содержат ПЛИС. Поскольку одно из основных преимуществ СнК ПЛИС заключается в меньшей стоимости по сравнению с дискретными реализациями, возникает большой естественный рынок, на котором производители могут вернуть свои инвестиции.
Для встраиваемых систем, использующих логику, ценность СнК ПЛИС очевидна. Критическим моментом при принятии решений является то, что разработчикам, использующим СнК ПЛИС, уже нужна программируемая логика. Она нужна, чтобы создавать различные версии продукта, продлевать его жизненный срок, облегчать дистанционное аппаратное обновление изделий и делать их более гибкими для поддержки появляющихся стандартов. Разработчики уже имеют инструменты и техническую квалификацию для разработки приложений на ПЛИС и хорошо понимают, в чем преимущества нового класса устройств. При помощи СнК ПЛИС разработчики могут соединить несколько дискретных систем (ЦПУ, DSP, коммуникационную периферию и бытовые приложения, сетевые ИС и ПЛИС) на одном чипе, сэкономив материалы, площадь и потребление системы (см. рис. 2).

Рис. 2. Общий пример СнК ПЛИС: двуядерная аппаратная процессорная система с дополняющей ее аппаратной периферией на одном кристалле с ПЛИС-структурой

Термин «embedded processing» (встраиваемая обработка) относится к широкому кругу приложений, от очень чувствительных к цене 4-разрядных процессоров до исключительно сложных многоядерных 64-разрядных устройств. Эти приложения также давно поддерживают очень разнообразный и фрагментированный набор процессоров, операционных систем и ПО. Однако при всем своем размере и вариативности рынок встраиваемых систем смещается в сторону более быстрых и более оснащенных процессоров. Например, 16-разрядные микроконтроллеры сменяются 32-разрядными ЦПУ. В то же время поддержка семейств 32-разрядных ЦПУ сосредоточена вокруг четырех широко распространенных архитектур: ARM, MIPS, PowerPC и x86, что мотивируется совместимостью ПО и возможностью повторного использования кода. Как результат, СнК ПЛИС, включающие одну из этих архитектур ЦПУ, могут претендовать на существенно больший рынок, что только усиливает стимул для инвестиций в этот класс полупроводниковых устройств.
Благодаря архитектурным новшествам и параллелизму производительность процессоров постоянно растет, что позволяет создавать отличные программные  элементы алгоритмических и управленческих приложений. Хотя очень высокая производительность может быть достигнута за счет увеличения числа параллельно работающих процессоров, платой за это становится увеличенное энергопотребление и сложность программирования требуемой функции. Наиболее эффективный способ достижения высокой производительности — создание алгоритмически адаптированных решений на ПЛИС. Язык высокоуровневого программирования типа OpenCL позволяет осуществлять синтез от высокого уровня абстракций до оптимизации аппаратного ускорения.
Потребность в энергетической эффективности также способствует движению в направлении параллельных и многоядерных вычислений. Эволюция вычислений шла и будет идти в сторону повышения производительности. Первоначально эта цель достигалась увеличением эффективности процессорной архитектуры и частоты, однако из-за роста стоимости и потребления эта стратегия достигла предела. Современные стратегии нацелены на параллелизм, причем краткосрочная стратегия ориентируется на переход от мощной одноядерной обработки к многоядерным реализациям. Центром внимания в этом движении к более высокой вычислительной производительности при меньшем энергопотреблении становится применение ПЛИС в качестве аппаратных ускорителей для ЦПУ.
Монолитная система СнК ПЛИС максимизирует энергоэффективность и гибкость секционирования ПО. СнК ПЛИС позволяет сотням сигналов данных обращаться к различным функциональным областям, обеспечивая полосу 100 Гбит/с и более с наносекундными задержками, обеспечивая на порядки лучшее быстродействие, чем дискретные реализации. Более того, монолитная интеграция позволяет совместно использовать контроллеры памяти и предоставляет аппаратным ускорителям широкополосный доступ к ней.
Увеличенная скорость и доступ к памяти позволяют использовать ПЛИС в мелкомасштабных ускорителях для широкого класса вычислительных требований. Поскольку энергоэффективность аппаратных ускорителей может быть более чем в 1000 раз выше, чем у ЦПУ, СнК ПЛИС создает существенный потенциал для энергоэффективных вычислений, лучший, чем может обеспечить простой многоядерный параллелизм.
Набирают популярность упрощающие реализацию ускорителей языки параллельного программирования, такие как OpenCL, поддерживающие кросс-платформное параллельное программирование разнородных систем. Применение OpenCL в качестве основы для параллельного программирования позволяет синтезировать высокий уровень абстракции, высокоэффективные информационные каналы и вычислять элементы с очень высокой скоростью.

Продукты, принятые производителем, пользователем и экосистемой, демонстрируют так называемый сетевой эффект, или эффект платформы. Основной его принцип заключается в том, что чем больше используется какой-либо продукт или стандарт, тем большую ценность он обретает в глазах сообщества пользователей и экосистемы. В результате члены сообщества пользователей еще больше инвестируют в данную технологию, что приводит к еще более широкому использованию и раскручивает цикл. Знакомые примеры — это ПК, стандарты видеозаписи и социальные сети.
Как правило, категории продуктов, которые имеют «врожденную» способность существовать внутри раскручивающегося цикла, обнаруживают мощную тенденцию к эволюции внутри цикла, по мере того как каждая новая категория продукта стремится максимизировать ROI (коэффициент окупаемости инвестиций). Как только потенциальная платформа набирает ход, она начинает притягивать инвестиции, и рынок быстро движется к этому стандарту.
Похоже, СнК ПЛИС предстоит испытать этот эффект платформы. По мере развития СнК ПЛИС у пользователей будет больше потребностей использовать IP-блоки ПЛИС и программное ноу-хау в более широком спектре систем. Например, члены экосистемы ЦПУ станут изучать меньше средств разработки для ПЛИС, так же как поставщики ЦПУ предпочтут минимизировать количество средств разработки и технологий для ПЛИС, которое им придется освоить. В результате та платформа СнК ПЛИС, которая поддерживает много поставщиков и архитектур ЦПУ, окажется в самом выгодном положении с точки зрения дальнейших инвестиций, создавая больше всего преимуществ для потребителей и членов экосистемы, которые примут эту платформу.

Эра СнК ПЛИС началась. Эти устройства достигли переломной точки, движимые экономическими, технологическими и рыночными силами, и многочисленные поставщики уже начали поставки. Специалисты должны тщательно изучить эффект платформы, выгоду от повторного использования IP и нового техпроцесса ПЛИС при оценке системных решений.