1、40nm FPGA 給國防電子帶來的優勢和挑戰引言隨著 Altera 40nm FPGA 的推出，越來越多的軍用電子設 計領域開始采用可編程邏輯器件 (PLD) 進行設計。這反映了 軍用電子的集成需求，也是芯片尺寸不斷發展導致 ASIC 成 本攀升的結果。利用 FPGA 來實現以往局限于 ASIC 設計或 微處理器系統的功能，不但可以縮短設計周期，還能夠簡化 硬件驗證。基于 FPGA 的功能集成不但大大提高了軍用系統設計的 效率，并對國防計劃中的系統工程方法和工程組織管理產生 了重要影響。 Altera FPGA 拓展了系統設計任務，影響了工 程組織所需要的各類人才以及組織結構。軍事用戶需求現

2、在，越來越多的軍隊完全裝備了 COTS( 商用現貨 )設 備。美國軍隊不斷嘗試在戰場設施中采用商用技術。如今的 士兵已習慣于平時生活中的手持式和無線技術，希望能在戰 場上使用類似的單兵聯絡技術。一個比較特殊的應用實例是下一代機載傳感器。在高效 設計流程中，面向多種模式靈活實現各種電路的最佳方法之 一就是采用新的大容量 PLD，無需重新設計關鍵的IP（知識 產權 ）便可以實現簡單的技術更新。新款 FPGA 能夠滿足軍用電子技術的四類需求，即減小體積、重量和功耗（SWaP）;公共數據總線標準（開放系統）; 設計重用；防篡改技術。減小 SWaP 最簡單的方法是在單個芯片中集成多個子系 統，這可以通過

3、可靠的系統工程方法和工作流程控制來實 現。采用多個子系統后， FPGA 開放系統設計和防篡改技術 的重要性就越來越突出。 另外， 要提高新的大規模 SoC 設計 的效率，設計重用必須成為系統設計流程的一部分。工程組織結構以前，工程組織總是圍繞功能組織或項目組織進行設 計。大部分工程師和管理人員都熟悉它們之間的不同：功能 組織以工程或子產品工程為主，主要關注技術和工程最佳實 踐;而項目組織以特殊客戶產品為主，工程師的重點是滿足 客戶的特殊需求。它們在不同應用中都有其各自的優缺點。由于越來越多的系統功能可在 FPGA 邏輯中實現，因此 新的大容量 FPGA 對功能工程組織產生了兩方面影響。 首先，

4、 可以預測的是會需要更多的 FPGA 設計工程師，并可能要重 新調整各個工程部門。第二方面的影響是會將系統工程師和 架構工程師納入 FPGA 設計團隊中。這需要在硬件和固件組 織中都有較強的系統工程能力，或者系統工程團隊能夠理解 PLD 的新功能及其復雜性。項目組織更適合可充分利用新的 40nm Stratix IV FPGA 優勢的大型二次開發程序。然而，項目組織很少被用于跟蹤 新產品及最新的可編程邏輯。很多時候，項目組織需要依靠 內部研究和開發 (IRAD) 或跨項目協作來嵌入新技術。另一方面，功能組織更關注于技術，能夠在多個程序中 轉換新技術。然而，這些組織可能會缺乏采用新的芯片技術 的

5、動力。這兩種情況都需要對系統工程功能進行一些改變， 以便充分發揮大容量 Stratix IV FPGA所具有的SWaP和設計 效率的優勢。FPGA 系統設計方法的改變 基本上，當幾個子系統合并到大容量 Stratix IV FPGA 中，并在多個工程師之間進行分配后，工程和測試的基本需 求并不會發生改變。但是，由于設計接口的概念擴展到了FPGA 內部的數據邊界，因此硬件和軟件之間的界線越來越 模糊。正如系統工程包括代碼和軟件集成產品組 (IPT) 成員之 間數百萬的可執行代碼區域一樣，現在系統工程也包括了FPGA 架構和設計。當使用大容量 FPGA 時，在選擇 FPGA 器件時，人們考慮更多的

6、是系統需求而不是硬件需求。需要的技能目前設計組織在雇傭員工時最難得到的技能是 FPGA 設 計，其工作描述包括：?較強的 VHDL 和 Verilog 設計經驗?嵌入式計算經驗?數字測試和調試 (邏輯分析器 )經驗?DMA 和存儲器接口經驗?了解 SONET 承載以太網、萬兆以太網、串行 Rapidlo 和 PCIExpress 等。開發 FPGA 設計需要以上列出的所有技能，但這些技能 可以分配在一個團隊中，而不是集中在一個或幾個有經驗的 FPGA 設計員工身上。就像軟件工程中需要 FPGA 架構和設計劃分方面的新技能。這些新技能是系統工程功能，僅需一部分 FPGA 設計工 程技能。在商用和

7、國防電子中討論越來越多的趨勢是 FPGA 的設計外包。這樣，國防領域的企業可以將精力集中在核心 競爭上，在關鍵問題上把風險轉移到外部的工程團隊中，如 高速接口的信號完整性問題。雖然這在某些工程設計組織中 可以實現，但這并不意味著，在電子系統中進行最重要的工 程決定時，不需要掌握系統級 FPGA 功能、設計劃分和 SoC 結構開發的知識。進行培訓在高科技國防企業中，培訓是個很難的課題。在基于項 目的組織中尤其如此，培訓被認為是“出格”的事。技術培 訓的“半衰期”很短，有時比評估培訓項目是否有效所需的 時間還要短 （有些技術專家宣稱， 一個工程畢業生在邁出校門 5 年后，他所學知識的一半以上就會過

8、時 ） 。工程部門很難找到具有足夠 FPGA 設計技能的員工，特 別是當新器件達到 ASIC 級的復雜度，并需要團隊進行設計 時。同時，具有應用級知識 （信號處理，圖像等 ）和 FPGA 設 計技能的人才越來越少。通過使用具有抽象層的新工具，讓 有經驗的系統工程師參與到 FPGA 設計中，是解決這些難題 的最好方法。雖然很多處理卡開發人員針對應用市場提供抽 象的“開發套件”解決方案，但是當推出新的 PLD 時，這些 開發套件在各種用戶應用中并不是很實用。必須采取其它方 法進行設計。一種方法是利用供應商開發的 FPGA系統工具，如Altera 的 Quartus II 設計軟件，它在一個工具中集

9、成了多種早期設 計需求，包括時序、物理綜合、布局規劃和邏輯鎖定等。這 樣，有經驗的系統工程師和設計小組便能夠利用更系統的方 法來進行設計，并在大規模 FPGA 應用中采用基于團隊的方 法。國防工程部門將繼續依靠大學和 FPGA 供應商提供的培 訓，或雇傭具有專業 FPGA 技能的員工，這是因為對 PLD 專業技能進行內部培訓的成本效益并不高。然而，開發企業 內部基于團隊的設計方法將會越來越重要，這種方法還應該 能提供必要的培訓，突出企業認可的工具流程、需求、測試 和驗證方法以及風險管理程序。通過參加企業開發的、基于 團隊的設計培訓，設計工程師能夠更好地發現在設計程序中 需要參加其他供應商的哪些

10、培訓。設計新的電子工程組織芯片制造技術的發展似乎并不是重新進行組織的原因 所在。然而，集成效率和設計效能應該是推動設計轉向采用 大型器件的原因，它需要設計任務進行改變。重新定義系統工程國防系統企業中的系統工程任務多年來以各種方式不 斷發展。其發展方向包括生命周期管理、成本和可生產性設 計、系統設計系統以及開放標準體系結構 （包括 IP 重用 ）。這 些都源自基于團隊的設計方法，旨在提高整個設計過程的效 率。和以前相比，國防電子設計中的成本問題和設計工具流 程的關系更緊密，這些設計包括架構、劃分、驗證和電路板 集成。由于設計流程的每個部分會涉及到不同的供應商，因 此，工程組織需要處理很多風險問題

11、。一個組織的基本結構應該能管理整個組織的工具流程 風險和 IP 重用。雖然有很多方法可以用來調整國防企業組織 的設計結構，但由系統小組或 IP 管理員來控制基于團隊的設 計功能是最有效的。在圖 3所示的例子中，將所有的 IPT 管 理員放到基于團隊的設計組中，從而強調了基于團隊的設計 和工具流程。 IPT 管理員的基本任務是促使系統設計使用當 前技術下最好的工具體系結構以及基于團隊的設計方法。職業路線 建立一個功能工程組織時應該考慮三個基本組成：企業 股東、客戶和員工。這意味著，功能任務和職能部門都涉及 到最佳客戶產品和為股東提供最高效的設計方法。而比較重要的是，新組織應該為組織中的工程師們建

12、立怎樣的職業路 線和職業發展規劃。 在依靠 PLD 設計的組織中， 由于設計流 程方法是非常重要的技術和成本因素，因此，職業發展路線 中應考慮人才和項目管理，才能推動這些因素的發展。關注設計流程雖然有很多理由促使人們采用 40nm Stratix IV FPGA 最 新的高密度和高速收發器功能，而軍用客戶最需要關注的則 是設計流程技術在組織中的作用。選擇器件時考慮的因素一般集中在成本和性能上。FPGA 實現了越來越多的電子系統功能，首要的系統成本因 素是工具流程的效率。雖然這很難進行衡量，但是為國防電 子設計選擇合適的工具流程對于提高成本競爭力和組織運 行效率是最重要的。結語就像對所有的新技術一樣，在評價 Stratix IV GX FPGA 時，不能只考慮