作者：Hello,Panda
各位朋友，大家好，熊貓君這次開個倒車，在這個廣泛使用Xilinx（Altera）高端SoC的時代，分享一個“FPGA+ARM”實現的低功耗高性能傳統方案。
圖1 瑞芯微RK3576電路
當前，包含FPGA和硬核處理器的SoC主要集中于以下幾個系列：
1、Xilinx（現在的AMD）：（1）高端的VerSal系列，集成超大容量的FPGA和雙核Cortex-A72/Cortex-A78E處理器；（2）中端的ZYNQ MPSoC，集成中等容量的FPGA和雙核或四核的Cortex-A53處理器；（3）通用的ZYNQ-7000系列SoC，集成一般容量的FPGA和單/雙核的Cortex-A9處理器。
2、Altera（現在的Intel可編程邏輯業務）：（1）高端的Agilex和Stratix 10系列SoC均采用四核Cortex-A53處理和超大規模的FPGA；（2）通用的Arria 10和Cyclone V系列SoC均采用單/雙/四核的 Cortex-A9處理器。
3、其他，包括高云、安陸等國內廠家，均有提供集成FPGA和硬核處理器的SoC。硬核處理器大多為ARM Cortex-M3/M4（搭配中小規模FPGA使用）或RISC-V處理（搭配較大規模的FPGA使用），主要還是適合在一些不太復雜的控制領域使用。
通過以上總結可以看到，Xilinx和Altera的大規模和超大規模SoC主要用于驗證AISC設計或原理樣機驗證，不大可能用到量產工業或消費產品中去。中低端的FPGA處理器性能又普遍偏弱，在一些圖形圖像中的處理能力偏弱，功耗也不低，形成優勢產品的難度較大。
在一些手持設備、電池供電的系統或對發熱敏感的高性能圖像應用系統，常常需要在功耗、面積、性能上找到一個最優解。對一個圖像系統而言，常常需要FPGA來做圖像采集、控制和其它接口擴展，處理一些適合Pipeline的圖像或圖像算法等等，同時又需要ARM或DSP做一些較為復雜的應用算法、圖像效果或數據庫等等。這種情況下，封裝尺寸小的“低功耗FPGA+低功耗ARM SoC”分立方案反而成了最優解。
這里一個最典型的應用就是紅外熱成像領域，具有100%指征：
（1）非制冷的手持設備和電池供電設備：對熱量敏感，機器內部發熱會嚴重影響成像效果，帶來靈敏度降低（NETD），熱輻射“鍋蓋”現象等；對續航敏感，無論是測溫設備、穿戴設備還是儀器儀表，都要求待機時間越長越好，因此對低功耗要求高；對計算要求較高，這些機器里面通常需要運行一些圖像處理類的算法外，還需要運行圖像融合，檢測、識別、跟蹤等算法或是較為復雜的圖形界面、樣本數據庫等等，所以這些設備的計算性能要求絕對不低。
當然，也有部分非制冷探測器應用集成封裝FPGA，如國內某頭部紅外制造商堆棧封裝了易靈思Ti60 FPGA；
（2）制冷型的紅外設備：此類設備主要用于儀器和特殊領域使用，雖然對續航時間沒有要求，但其對發熱和性能的要求同樣高，一句話就是：性能盡量高，發熱要小。
一、低功耗FPGA
現在咱們聊一聊低功耗的FPGA。咱們暫且分為國產和進口兩大類。
（1）進口低功耗FPGA：說到功耗低、不發熱，性能又比較好的，必須是Lattice，尤其是其Crosslink-NX系列（包括該系列的國內馬甲芯片），可以說是排在低功耗性能器件的首位；其次是MicroChip的，功耗是真的低，但是容量和性能也是真的低；再次就是Altera的Max10系列，內部集成了Flash和ADC等，功耗性能比上也還是很不錯的（缺點是沒有mipi核，40k以上邏輯沒有小封裝）。綜上：進口低功耗FPGA首選Lattice Crosslink-NX 40K邏輯器件，壓榨其資源（盡可能能用的資源都用上，不含PCIe器件）平均實測功耗≤500mW，直觀的用手去摸芯片表面，基本感受不到發熱（測試FPGA型號為LIFCL-40-7MG121I）。
圖2? ：Lattice LIFCL-40電路圖
（2）國產低功耗FPGA：嚴格意義上，國產器件沒有專門的低功耗設計，其功耗由流片工藝決定。高云小蜜蜂、智多晶、京微齊力、紫光同創、安陸等等功耗較低的器件普遍容量小，接口和性能上也差事兒，能做的事情不多。目前來講，可用的主要是高云的GW5A和易靈思的TI60（集成HyperRAM和QSPI Flash）兩個系列的器件上。從實測效果上看，選用GW5AT-60 MG132封裝和Ti60 100pin封裝兩顆器件（邏輯量均為60k），運行相同功能的邏輯，用手接觸芯片表面明顯發熱，整體功耗也在1200mW以上。在對國產化要求有硬性指標的應用場合，這個大概是最佳選項。
圖3 高云GW5AT-LV60UG225電路圖
圖4 易靈思Ti60電路圖
下面是Lattice、高云、易靈思三家器件的對照表：
二、低功耗SoC
SoC的功耗直接與其制程和性能相關。咱們這里不討論國外的如英偉達、高通、TI之類的，主要還是選國產，按照其能打程度，主要還是海思、瑞芯微和全志三大家，但是這三家又各有特點：
（1）海思SoC主要針對圖像處理，ISP性能強，但是自其恢復供貨后，受制造工藝限制，功耗高了不少；
（2）瑞芯微主要針對通用處理，其ISP性能較弱，但是通用計算能力強，接口也很豐富；
（3）全志比較低調，就是純ARM SoC，沒有較強的圖像圖形處理能力，且沒有工業和車載等級器件。
從以上三家的情況來看，“FPGA+ARM”方案，ARM SoC主要承擔的是應用處理算法和圖形、數據處理能力，因此選用瑞芯微器件會更加合適。
下表是RK3576、RK3588和海思Hi3559AV100參數對照表。
實際上，低功耗視覺應用場景圖像的分辨率不會太大，對應的圖像鏈路的處理負載和內存消耗不會太大，對應的輸入輸出接口和Codec的功耗也會較小。其功耗消耗主要是運行前述的復雜算法。
三、案例
以下是一個常規的雙光融合設備的框圖，如前面內容所述，FPGA和RK3576各自分工承擔計算負載，如下圖5所示。像這樣的一個典型應用方案，處理板上的功耗約4瓦（常溫25°C時，不含屏）。
圖5? FPGA+RK3576雙光融合方案框圖
今天就聊這么多，分享結束，感謝大家閱讀，希望能起到拋磚引玉的作用。
