回头看，FPGA+RK3576方案的功耗性能优势

作者：Hello,Panda

各位朋友，大家好，熊猫君这次开个倒车，在这个广泛使用Xilinx（Altera）高端SoC的时代，分享一个“FPGA+ARM”实现的低功耗高性能传统方案。

图1 瑞芯微RK3576电路

当前，包含FPGA和硬核处理器的SoC主要集中于以下几个系列：

1、Xilinx（现在的AMD）：（1）高端的VerSal系列，集成超大容量的FPGA和双核Cortex-A72/Cortex-A78E处理器；（2）中端的ZYNQ MPSoC，集成中等容量的FPGA和双核或四核的Cortex-A53处理器；（3）通用的ZYNQ-7000系列SoC，集成一般容量的FPGA和单/双核的Cortex-A9处理器。

2、Altera（现在的Intel可编程逻辑业务）：（1）高端的Agilex和Stratix 10系列SoC均采用四核Cortex-A53处理和超大规模的FPGA；（2）通用的Arria 10和Cyclone V系列SoC均采用单/双/四核的 Cortex-A9处理器。

3、其他，包括高云、安陆等国内厂家，均有提供集成FPGA和硬核处理器的SoC。硬核处理器大多为ARM Cortex-M3/M4（搭配中小规模FPGA使用）或RISC-V处理（搭配较大规模的FPGA使用），主要还是适合在一些不太复杂的控制领域使用。

通过以上总结可以看到，Xilinx和Altera的大规模和超大规模SoC主要用于验证AISC设计或原理样机验证，不大可能用到量产工业或消费产品中去。中低端的FPGA处理器性能又普遍偏弱，在一些图形图像中的处理能力偏弱，功耗也不低，形成优势产品的难度较大。

在一些手持设备、电池供电的系统或对发热敏感的高性能图像应用系统，常常需要在功耗、面积、性能上找到一个最优解。对一个图像系统而言，常常需要FPGA来做图像采集、控制和其它接口扩展，处理一些适合Pipeline的图像或图像算法等等，同时又需要ARM或DSP做一些较为复杂的应用算法、图像效果或数据库等等。这种情况下，封装尺寸小的“低功耗FPGA+低功耗ARM SoC”分立方案反而成了最优解。

这里一个最典型的应用就是红外热成像领域，具有100%指征：

（1）非制冷的手持设备和电池供电设备：对热量敏感，机器内部发热会严重影响成像效果，带来灵敏度降低（NETD），热辐射“锅盖”现象等；对续航敏感，无论是测温设备、穿戴设备还是仪器仪表，都要求待机时间越长越好，因此对低功耗要求高；对计算要求较高，这些机器里面通常需要运行一些图像处理类的算法外，还需要运行图像融合，检测、识别、跟踪等算法或是较为复杂的图形界面、样本数据库等等，所以这些设备的计算性能要求绝对不低。

当然，也有部分非制冷探测器应用集成封装FPGA，如国内某头部红外制造商堆栈封装了易灵思Ti60 FPGA；

（2）制冷型的红外设备：此类设备主要用于仪器和特殊领域使用，虽然对续航时间没有要求，但其对发热和性能的要求同样高，一句话就是：性能尽量高，发热要小。

一、低功耗FPGA

现在咱们聊一聊低功耗的FPGA。咱们暂且分为国产和进口两大类。

（1）进口低功耗FPGA：说到功耗低、不发热，性能又比较好的，必须是Lattice，尤其是其Crosslink-NX系列（包括该系列的国内马甲芯片），可以说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，内部集成了Flash和ADC等，功耗性能比上也还是很不错的（缺点是没有mipi核，40k以上逻辑没有小封装）。综上：进口低功耗FPGA首选Lattice Crosslink-NX 40K逻辑器件，压榨其资源（尽可能能用的资源都用上，不含PCIe器件）平均实测功耗≤500mW，直观的用手去摸芯片表面，基本感受不到发热（测试FPGA型号为LIFCL-40-7MG121I）。

图2  ：Lattice LIFCL-40电路图

（2）国产低功耗FPGA：严格意义上，国产器件没有专门的低功耗设计，其功耗由流片工艺决定。高云小蜜蜂、智多晶、京微齐力、紫光同创、安陆等等功耗较低的器件普遍容量小，接口和性能上也差事儿，能做的事情不多。目前来讲，可用的主要是高云的GW5A和易灵思的TI60（集成HyperRAM和QSPI Flash）两个系列的器件上。从实测效果上看，选用GW5AT-60 MG132封装和Ti60 100pin封装两颗器件（逻辑量均为60k），运行相同功能的逻辑，用手接触芯片表面明显发热，整体功耗也在1200mW以上。在对国产化要求有硬性指标的应用场合，这个大概是最佳选项。

图3 高云GW5AT-LV60UG225电路图

图4 易灵思Ti60电路图

下面是Lattice、高云、易灵思三家器件的对照表：

二、低功耗SoC

SoC的功耗直接与其制程和性能相关。咱们这里不讨论国外的如英伟达、高通、TI之类的，主要还是选国产，按照其能打程度，主要还是海思、瑞芯微和全志三大家，但是这三家又各有特点：

（1）海思SoC主要针对图像处理，ISP性能强，但是自其恢复供货后，受制造工艺限制，功耗高了不少；

（2）瑞芯微主要针对通用处理，其ISP性能较弱，但是通用计算能力强，接口也很丰富；

（3）全志比较低调，就是纯ARM SoC，没有较强的图像图形处理能力，且没有工业和车载等级器件。

从以上三家的情况来看，“FPGA+ARM”方案，ARM SoC主要承担的是应用处理算法和图形、数据处理能力，因此选用瑞芯微器件会更加合适。

下表是RK3576、RK3588和海思Hi3559AV100参数对照表。

实际上，低功耗视觉应用场景图像的分辨率不会太大，对应的图像链路的处理负载和内存消耗不会太大，对应的输入输出接口和Codec的功耗也会较小。其功耗消耗主要是运行前述的复杂算法。

三、案例

以下是一个常规的双光融合设备的框图，如前面内容所述，FPGA和RK3576各自分工承担计算负载，如下图5所示。像这样的一个典型应用方案，处理板上的功耗约4瓦（常温25°C时，不含屏）。

图5  FPGA+RK3576双光融合方案框图

今天就聊这么多，分享结束，感谢大家阅读，希望能起到抛砖引玉的作用。