1、40nm FPGA给国防电子带来的优势和挑战 引言 随着 Altera 40nm FPGA 的推出，越来越多的军用电子设计领域开始采用可编程逻辑器件 (PLD)进行设计。这反映了军用电子的集成需求，也是芯片尺寸不断发展导致 ASIC 成本攀升的结果。利用 FPGA 来实现以往局限于 ASIC 设计或微处理器系统的功能，不但可以缩短设计周期，还能够简化硬件验证。 基于 FPGA的功能集成不但大大提高了军用系统设计的效率，并对国防计划中的系统工程方法和工程组织管理产生了重要影响。 Altera FPGA拓展了系统设计任务，影响了工程组织所需要的各类人才以及组织结构。 军事用户需求 现在，越来越多的
2、军队完全装备了 COTS(商用现货 )设备。美国军队不断尝试在战场设施中采用商用技术。如今的士兵已习惯于平时生活中的手持式和无线技术，希望能在战场上使用类似的单兵联络技术。 一个比较特殊的应用实例是下一代机载传感器。在高效设计流程中，面向多种模式灵活实现各种电路的最佳方法之一就是采用新的大容量 PLD，无需重新设计关键的 IP(知识产权 )便可以实现简单的技术更新。 新款 FPGA 能够满足军用电子技术的四类需求，即减小体积、重量和功耗 (SWaP)；公共数据总线标准 (开放系统 )；设计重用；防篡改技术。 减小 SWaP 最简单的方法是在单个芯片中集成多个子系统，这可以通过可靠的系统工程方法
3、和工作流程控制来实现。采用多个子系统后， FPGA开放系统设计和防篡改技术的重要性就越来越突出。另外，要提高新的大规模 SoC 设计的效率，设计重用必须成为系统设计流程的一部分。 工程组织结构 以前，工程组织总是围绕功能组织或项目组织进行设计。大部分工程师和管理人员都熟悉它 们之间的不同：功能组织以工程或子产品工程为主，主要关注技术和工程最佳实践；而项目组织以特殊客户产品为主，工程师的重点是满足客户的特殊需求。它们在不同应用中都有其各自的优缺点。 由于越来越多的系统功能可在 FPGA 逻辑中实现，因此新的大容量 FPGA对功能工程组织产生了两方面影响。首先，可以预测的是会需要更多的 FPGA
4、设计工程师，并可能要重新调整各个工程部门。第二方面的影响是会将系统工程师和架构工程师纳入 FPGA 设计团队中。这需要在硬件和固件组织中都有较强的系统工程能力，或者系统工程团队能够理解PLD 的新功 能及其复杂性。 项目组织更适合可充分利用新的 40nm Stratix IV FPGA优势的大型二次开发程序。然而，项目组织很少被用于跟踪新产品及最新的可编程逻辑。很多时候，项目组织需要依靠内部研究和开发 (IRAD)或跨项目协作来嵌入新技术。 另一方面，功能组织更关注于技术，能够在多个程序中转换新技术。然而，这些组织可能会缺乏采用新的芯片技术的动力。这两种情况都需要对系统工程功能进行一些改变，以
5、便充分发挥大容量 Stratix IV FPGA所具有的 SWaP和设计效率的优势。 FPGA系统设计方法的改变 基本上，当几个子系统合并到大容量 Stratix IV FPGA中，并在多个工程师之间进行分配后，工程和测试的基本需求并不会发生改变。但是，由于设计接口的概念扩展到了FPGA内部的数据边界，因此硬件和软件之间的界线越来越模糊。正如系统工程包括代码和软件集成产品组 (IPT)成员之间数百万的可执行代码区域一样，现在系统工程也包括了FPGA架构和设计。当使用大容量 FPGA 时，在选择 FPGA器件时，人们考虑更多的是系统需求而不是硬件需求。 需要的技能 目前设计组织在雇佣员工时最难得
6、到的技能是 FPGA设计，其工作描述包括： ?较强的 VHDL和 Verilog 设计经验 ?嵌入式计算经验 ?数字测试和调试 (逻辑分析器 )经验 ?DMA和存储器接口经验 ?了解 SONET承载以太网、万兆以太网、串行 Rapidlo和 PCIExpress 等。 开发 FPGA 设计需要以上列出的所有技能，但这些技能可以分配在一个团队中，而不是集中在一个或几个有经验的FPGA设计员工身上。 就像软件工程中需要 FPGA架构和设计划分方面的新技能 。这些新技能是系统工程功能，仅需一部分 FPGA 设计工程技能。在商用和国防电子中讨论越来越多的趋势是 FPGA的设计外包。这样，国防领域的企业
7、可以将精力集中在核心竞争上，在关键问题上把风险转移到外部的工程团队中，如高速接口的信号完整性问题。虽然这在某些工程设计组织中可以实现，但这并不意味着，在电子系统中进行最重要的工程决定时，不需要掌握系统级 FPGA 功能、设计划分和 SoC结构开发的知识。 进行培训 在高科技国防企业中，培训是个很难的课题。在基于项目的组织中尤其如此，培训被认为是“出格”的事。技术培训的“半衰期”很短，有时比评估培训项目是否有效所需的时间还要短 (有些技术专家宣称，一个工程毕业生在迈出校门5 年后，他所学知识的一半以上就会过时 )。 工程部门很难找到具有足够 FPGA 设计技能的员工，特别是当新器件达到 ASIC
8、 级的复杂度，并需要团队进行设计时。同时，具有应用级知识 (信号处理，图像等 )和 FPGA 设计技能的人才越来越少。通过使用具有抽象层的新工具，让有经验的系统工程师参与到 FPGA 设计中，是 解决这些难题的最好方法。虽然很多处理卡开发人员针对应用市场提供抽象的“开发套件”解决方案，但是当推出新的 PLD 时，这些开发套件在各种用户应用中并不是很实用。必须采取其它方法进行设计。 一种方法是利用供应商开发的 FPGA系统工具，如 Altera的 Quartus II设计软件，它在一个工具中集成了多种早期设计需求，包括时序、物理综合、布局规划和逻辑锁定等。这样，有经验的系统工程师和设计小组便能够
9、利用更系统的方法来进行设计，并在大规模 FPGA 应用中采用基于团队的方法。 国防工程部门将继续依靠大学和 FPGA供应商提供的培训，或雇佣具有专业 FPGA 技能的员工，这是因为对 PLD专业技能进行内部培训的成本效益并不高。然而，开发企业内部基于团队的设计方法将会越来越重要，这种方法还应该能提供必要的培训，突出企业认可的工具流程、需求、测试和验证方法以及风险管理程序。通过参加企业开发的、基于团队的设计培训，设计工程师能够更好地发现在设计程序中需要参加其他供应商的哪些培训。 设计新的电子工程组织 芯片制造技术的发展似乎并不是重新进行组织的原因所在。然而，集成效率和设计效能应该是推动设计转向采
10、用大型器件的原因，它需要设计任务进行改变。 重新定义系统工程 国防系统企业中的系统工程任务多年来以各种方式不断发展。其发展方向包括生命周期管理、成本和可生产性设计、系统设计系统以及开放标准体系结构 (包括 IP 重用 )。这些都源自基于团队的设计方法，旨在提高整个设计过程的效率。 和以前相比，国防电子设计中的成本问题和设计工具流程的关系更紧密，这些设计包括架构、划分、验证和电路板集成。由于设计流程的每个部分会涉及到不同的供应商，因此，工程组织需要处理很多风险问题。 一个组织的基本结构应该能管 理整个组织的工具流程风险和 IP 重用。虽然有很多方法可以用来调整国防企业组织的设计结构，但由系统小组
11、或 IP 管理员来控制基于团队的设计功能是最有效的。在图 3 所示的例子中，将所有的 IPT 管理员放到基于团队的设计组中，从而强调了基于团队的设计和工具流程。 IPT管理员的基本任务是促使系统设计使用当前技术下最好的工具体系结构以及基于团队的设计方法。 职业路线 建立一个功能工程组织时应该考虑三个基本组成：企业股东、客户和员工。这意味着，功能任务和职能部门都涉及到最佳客户产品和为股东提供最高效的设计方法 。而比较重要的是，新组织应该为组织中的工程师们建立怎样的职业路线和职业发展规划。在依靠 PLD 设计的组织中，由于设计流程方法是非常重要的技术和成本因素，因此，职业发展路线中应考虑人才和项目
12、管理，才能推动这些因素的发展。 关注设计流程 虽然有很多理由促使人们采用 40nm Stratix IV FPGA最新的高密度和高速收发器功能，而军用客户最需要关注的则是设计流程技术在组织中的作用。 选择器件时考虑的因素一般集中在成本和性能上。FPGA实现了越来越多的电子系统功能，首要的系统成本因素是 工具流程的效率。虽然这很难进行衡量，但是为国防电子设计选择合适的工具流程对于提高成本竞争力和组织运行效率是最重要的。 结语 就像对所有的新技术一样，在评价 Stratix IV GX FPGA时，不能只考虑怎样应用于军用电子系统，还应该考虑组织能否成功实现技术。本文介绍了实现大型 40nm 设计可能遇到的困难：支持团队设计的组织，工程培训，能够重新定义器件集成体系结构、经验丰富的系统工程员工，高效的设计工具包等。 Altera 的 Quartus II 设计软件以设计效能为重点，在编译时间、设 计划分以及系统互联上都具有很高的性能，能够帮助客户重新规划基于团队的设计方法。
