采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的產(chǎn)品示例。迄今已被富士施樂(lè)一體機(jī)及索尼廣播電視專業(yè)設(shè)備等采用。而且，新的采用案例有富士膠片數(shù)碼相機(jī)“F550EXR”，以及卡西歐計(jì)算機(jī)數(shù)碼相機(jī)“EX-TR100”等。
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)（Dynamic Reconfigurable）技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。除了商用一體機(jī)及數(shù)碼相機(jī)等高價(jià)位電子產(chǎn)品外，應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到了實(shí)際售價(jià)為1萬(wàn)日元左右的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品。
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在擁有與專用邏輯電路（硬連線電路，Hard-Wired Circuit）相當(dāng)?shù)奶幚硇阅艿耐瑫r(shí)，還能夠像軟件一樣靈活改變電路構(gòu)成。以前采用范圍以辦公一體機(jī)及廣播電視專業(yè)攝像機(jī)等百萬(wàn)日元以上的高價(jià)位電子產(chǎn)品為中心，而最近終于開(kāi)始向數(shù)萬(wàn)日元的低價(jià)位消費(fèi)類電子產(chǎn)品全面普及注1）。近一年來(lái)，有多家數(shù)碼相機(jī)廠商表示已在自己的產(chǎn)品上采用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。其中也含有實(shí)售價(jià)格為1萬(wàn)日元左右的產(chǎn)品。
注1）以前在低價(jià)消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，只有索尼在便攜音樂(lè)播放器及游戲機(jī)上采用了自主開(kāi)發(fā)的有關(guān)技術(shù)。
在這些廠商中率先采用的是卡西歐計(jì)算機(jī)。該公司在2010年11月上市的“HIGH SPEED EXILIM”系列數(shù)碼相機(jī)機(jī)型“EX-ZR10”上，配備了采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的圖像處理LSI“EXILIM引擎HS”。包括該機(jī)型在內(nèi)，卡西歐計(jì)算機(jī)已在“EX-ZR100”、“EXH20G”及“EX-TR100”合計(jì)四款機(jī)型上采用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)（圖1、圖2）。
圖1：采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)
卡西歐計(jì)算機(jī)和富士膠片分別宣布已在自己的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上采用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。卡西歐計(jì)算機(jī)在“EXILIM引擎HS”上、富士膠片在“EXR處理器”上采用了該技術(shù)。
圖2：圖像處理LSI的內(nèi)部構(gòu)成
圖中列出了卡西歐計(jì)算機(jī)及富士膠片分別公開(kāi)的圖像處理LSI的內(nèi)部構(gòu)成（a、b）。相似點(diǎn)是都具備兩個(gè)CPU內(nèi)核。
在卡西歐計(jì)算機(jī)發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品4個(gè)月后，2011年2月富士膠片也展開(kāi)了行動(dòng)。富士膠片發(fā)布的“FinePix”系列數(shù)碼相機(jī)中，有“F550EXR”、“HS20 EXR”及“X100”三款機(jī)型配備了采用該技術(shù)的圖像處理LSI“EXR處理器”。
通過(guò)微細(xì)化使成本達(dá)到可以接受的水平
眾多數(shù)碼相機(jī)廠商接連采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的原因主要有兩點(diǎn)。
第一是微細(xì)化的發(fā)展使該技術(shù)的最大瓶頸即電路規(guī)模的尺寸達(dá)到了可以接受的程度。消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用的ASIC也開(kāi)始越來(lái)越多地采用45nm工藝以后的制造技術(shù)，因此在數(shù)碼相機(jī)等低價(jià)消費(fèi)類電子產(chǎn)品中采用該技術(shù)的巨大電路時(shí)，成本也已變得合算。
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)一般采用呈陣列狀排列大量（數(shù)十～1000個(gè)）8～32bit運(yùn)算器（ALU）的架構(gòu)。因此，處理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)算器數(shù)量最多限制在10個(gè)左右的DSP等。但另一方面卻存在電路面積非常大，芯片單價(jià)往往也很高的問(wèn)題。而且，為了能夠靈活改變電路構(gòu)成，還需要在運(yùn)算器之間設(shè)置開(kāi)關(guān)，并使布線具有冗余性，因此與同樣采用大量運(yùn)算器的硬連線電路相比，電路面積也往往較大。
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)從10年前亮相之初起就一直被公認(rèn)“其高成本是采用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)的瓶頸”，實(shí)際上以前多半是在商用電子產(chǎn)品上采用的。然而，隨著時(shí)間的推移，半導(dǎo)體制造技術(shù)的微細(xì)化得到順利推進(jìn)，由此，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)終于能夠在1萬(wàn)日元左右的消費(fèi)類電子產(chǎn)品上使用了注2）。
注2）FPGA與動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)一樣，隨著微細(xì)化的發(fā)展開(kāi)始越來(lái)越多地采用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品。但是，與將8～32bit運(yùn)算器作為構(gòu)件的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)相比，F(xiàn)PGA的構(gòu)件由進(jìn)行單純邏輯運(yùn)算的LUT（Look-up Table）構(gòu)成，構(gòu)成陣列的構(gòu)件的粒度較細(xì)。因此，實(shí)施媒體處理等操作的話，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的面積效率一般高于FPGA。
三項(xiàng)可編程性
動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)開(kāi)始在數(shù)碼相機(jī)中配備的另一原因在于，圖像處理LSI必須要在多種情況下具備出色的可編程性，也就是說(shuō)必須要具備像軟件那樣的“靈活性”。具體體現(xiàn)在①電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)、②供貨后使用電子產(chǎn)品時(shí)，以及③開(kāi)發(fā)新一代機(jī)型時(shí)。
其中尤其重要的是②使用電子產(chǎn)品時(shí)的可編程性。要想作為廠商保持獨(dú)創(chuàng)性，大量配備與其他公司相比容易形成賣點(diǎn)的功能的話，憑借硬連線電路及DSP等動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)以外的方法是很難實(shí)現(xiàn)的。
比如，卡西歐計(jì)算機(jī)在該公司配備動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的首款機(jī)型EX-ZR10中導(dǎo)入了稱為“HDR（High Dynamicrange）藝術(shù)”及“多幀超分辨率”的獨(dú)創(chuàng)功能。兩種功能均使用于高速連拍的圖像，前者通過(guò)合成多張圖像來(lái)生成動(dòng)態(tài)范圍大的圖像，并在此基礎(chǔ)上由LSI對(duì)圖像內(nèi)進(jìn)行分析，局部調(diào)整色彩飽和度和對(duì)比度，輸出繪畫(huà)風(fēng)格的圖像（圖3）。而后者則利用多幀圖像來(lái)提高分辨率。
圖3：復(fù)雜化的數(shù)碼相機(jī)圖像處理
數(shù)碼相機(jī)的圖像處理正在向多功能化及復(fù)雜化發(fā)展，比如重疊高速拍攝的多張圖像，制作出HDR圖像或形成繪畫(huà)風(fēng)格。照片中的是卡西歐“EXZR100”利用“HDR藝術(shù)”功能的輸出示例。
富士膠片也導(dǎo)入了獨(dú)創(chuàng)功能，比如識(shí)別攝影場(chǎng)景后從多達(dá)49種模式的畫(huà)質(zhì)設(shè)定中選擇最佳設(shè)定的“PREMIUM EXRAUTO”，以及通過(guò)經(jīng)由圖像處理來(lái)尋找對(duì)焦點(diǎn)的對(duì)比度AF來(lái)設(shè)定多達(dá)49個(gè)測(cè)距點(diǎn)。估計(jì)為實(shí)現(xiàn)這些功能采用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。
易于導(dǎo)入具有挑戰(zhàn)性的功能
要想在攝影時(shí)對(duì)超千萬(wàn)像素的圖像基本同步實(shí)施計(jì)算量如此大的復(fù)雜處理，憑借DSP及以往的SIMD型處理器處理性能會(huì)不足。實(shí)現(xiàn)手段僅限于像硬連線電路或動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)那樣，能夠使用大量運(yùn)算器組成長(zhǎng)管線，或者能夠?qū)Υ罅肯袼貙?shí)施并行處理的方法。
不過(guò)，從硬連線電路來(lái)看，要想導(dǎo)入比如A～C三種功能時(shí)，一般需要單獨(dú)準(zhǔn)備3種電路，芯片面積往往會(huì)變?yōu)?倍。假如A～C功能中含有成為電子產(chǎn)品賣點(diǎn)但實(shí)際使用頻率又很低的利基功能的話，由此占用的大量芯片面積就會(huì)使成本效率變差。
而動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)具備②中所述的使用電子產(chǎn)品時(shí)的可編程性，能夠在運(yùn)行中動(dòng)態(tài)改變電路構(gòu)成。因此，即便是使用頻率再低的利基功能，只要在營(yíng)銷及銷售觀點(diǎn)上斷定其具有效果，也可不受芯片面積增加的不利影響，輕松導(dǎo)入。其原因是，采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的話，只要是在固定的運(yùn)算器陣列內(nèi)實(shí)施處理，無(wú)論想要追加多少種功能，電路面積都不會(huì)成倍增加（圖4）。不運(yùn)行的電路不會(huì)“耗費(fèi)”芯片面積，平時(shí)隱藏在后臺(tái)的存儲(chǔ)器中注3）。
圖4：動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)以及與其他技術(shù)間的比較
在對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)、供貨后以及開(kāi)發(fā)新一代機(jī)型時(shí)等多種階段，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)的情況日趨增加。
注3）這一特性被比作虛擬存儲(chǔ)器，稱為“虛擬電路”。虛擬電路在切換多種處理時(shí)也很有效，但即便是一種處理，與規(guī)模超出運(yùn)算器陣列的電路相比，也同樣具有能夠以適當(dāng)級(jí)數(shù)折疊管線，以分時(shí)方式安裝的優(yōu)點(diǎn)。富士施樂(lè)在一體機(jī)上就采用了這種方法。
雖然動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)還要看其架構(gòu)如何，但在安裝大約3種以上具有某種復(fù)雜程度的功能時(shí)，在芯片面積這一點(diǎn)上，還是比硬連線電路更為有利。無(wú)論卡西歐計(jì)算機(jī)還是富士膠片，都未公布采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)具體安裝了多少種功能等細(xì)節(jié)，但可以推測(cè)的是，采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)時(shí)上述判斷起到了一定作用。
還可降低開(kāi)發(fā)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)
另外，如③所述的開(kāi)發(fā)新一代機(jī)型時(shí)的可編程性也很重要。硬連線電路的話，即使想要對(duì)以往機(jī)型的圖像處理算法加以修正、追加功能，不重新制作數(shù)億日元的掩膜的話，也是不可能實(shí)現(xiàn)的。而動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的話只需與固件一樣，在存儲(chǔ)器上追加新的電路數(shù)據(jù)即可（圖4）。這樣便可延長(zhǎng)一次投入的圖像處理LSI的“產(chǎn)品壽命”。
實(shí)際上，富士膠片就曾表示，采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的EXR處理器今后“還有進(jìn)步的余力”。另外，由于無(wú)需在掩膜中嵌入電路數(shù)據(jù)，因此與通常的固件開(kāi)發(fā)一樣，直到電子產(chǎn)品馬上要供貨之前，都可致力于電路構(gòu)成的優(yōu)化及驗(yàn)證工作（圖4）。而且，缺陷的修正等也比硬連線電路容易得多注4）。
注4）目前在MCU領(lǐng)域中，掩膜ROM產(chǎn)品已被閃存ROM產(chǎn)品取代，而在系列LSI領(lǐng)域中，硬連線電路向動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的過(guò)渡也可以說(shuō)是類似現(xiàn)象。
除了一體機(jī)、攝像機(jī)及數(shù)碼相機(jī)等與圖像相關(guān)的電子產(chǎn)品之外，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)今后還將充分利用上述可編程性，在其他電子產(chǎn)品領(lǐng)域取代硬連線電路及DSP。比如東芝表示，在無(wú)線通信領(lǐng)域的基帶處理電路方面，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)對(duì)電路面積及耗電量也同樣有利。而且，隨著智能電話及平板終端越來(lái)越多地導(dǎo)入WAN及無(wú)線LAN等多種無(wú)線通信方式，該技術(shù)還有望配備到這些電子產(chǎn)品上。
STP引擎具有設(shè)計(jì)工具優(yōu)勢(shì)，DAPDNA推出新版產(chǎn)品
目前已進(jìn)入實(shí)用階段的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)有瑞薩電子的“STP（Stream Transpose）引擎”（基于原有的DRP）、東京計(jì)器的“DAPDNA”系列、索尼的“VME（Virtual Mobile Engine）”，以及松下的“D-Fabrix”等。此外，還有很多企業(yè)在自主研發(fā)相關(guān)技術(shù)，但真正使用到實(shí)際產(chǎn)品上的主要還是上述4種。
其中，以外銷為提前穩(wěn)步積累起采用業(yè)績(jī)的是瑞薩電子的STP引擎。以前已被索尼的多款廣播電視專業(yè)攝像機(jī)，以及風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Yoozma的數(shù)字電視發(fā)送器等采用，但2011年6月瑞薩電子自己宣稱，該技術(shù)還被采用到了消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)上 注5）。
注5）在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)方面，瑞薩電子憑借出色的研發(fā)成果以及在圖像處理產(chǎn)品中的應(yīng)用業(yè)績(jī)，于2011年5月獲得了日本電子信息通信學(xué)會(huì)頒發(fā)的“第47屆（平成22年度）業(yè)績(jī)獎(jiǎng)”。在相關(guān)發(fā)布資料中，該公司稱STP引擎得到了數(shù)碼相機(jī)的采用。
瑞薩電子并未公布具體都有哪些企業(yè)的數(shù)碼相機(jī)采用了STP引擎。但如前所述，卡西歐計(jì)算機(jī)和富士膠片近一年來(lái)相繼在自己的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上采用了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，由此來(lái)看，兩公司的數(shù)碼相機(jī)采用的很可能是STP引擎的衍生技術(shù)。
雖然正在研發(fā)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的企業(yè)有很多，但站在包括設(shè)計(jì)工具在內(nèi)的綜合觀點(diǎn)上，并以外銷為前提使該技術(shù)達(dá)到商用水平的，恐怕全世界只有瑞薩電子一家 注6）。
注6）動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的營(yíng)銷難度要比普通處理器大，過(guò)去有很多企業(yè)都在相關(guān)業(yè)務(wù)上失敗過(guò)。比如，奧林巴斯著眼于在數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品上的應(yīng)用，于2002年設(shè)立了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的專業(yè)企業(yè)AOI技術(shù)公司，但之后因客戶拓展不利，該公司于2007年被解散。另外，開(kāi)發(fā)出DAPDNA的IPflex公司也由于營(yíng)銷失敗等原因陷入了破產(chǎn)。
當(dāng)然，也不能說(shuō)卡西歐計(jì)算機(jī)及富士膠片在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的架構(gòu)方面就毫無(wú)自主開(kāi)發(fā)的可能性。但是，這兩家公司在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的基本架構(gòu)方面并未取得類似專利，因此自主開(kāi)發(fā)的途經(jīng)頗顯薄弱。富士膠片雖然已就動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在圖像處理中的應(yīng)用方法申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，但這些專利與架構(gòu)并不相關(guān) 注7）。
注7）富士膠片已就動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用方法申請(qǐng)了專利，而且還在內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器械領(lǐng)域申請(qǐng)了同樣的專利。該公司今后將在所有圖像處理產(chǎn)品中采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。
索尼及松下開(kāi)發(fā)的技術(shù)主要用于自己的產(chǎn)品，而東京計(jì)器的DAPDNA尚未達(dá)到能夠在ASIC上作為IP內(nèi)核使用的設(shè)計(jì)水平。
另外，卡西歐計(jì)算和富士膠片都未在這方面接受過(guò)《日經(jīng)電子》的采訪，而且，對(duì)于自己的產(chǎn)品是否采用了瑞薩電子的STP引擎，這兩家公司和瑞薩電子都回答說(shuō)“無(wú)可奉告”。
沿用高層次綜合工具
瑞薩電子的STP引擎能夠?qū)?yīng)用范圍從專業(yè)廣播電視設(shè)備穩(wěn)步拓展至消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品，其原因在于該公司在技術(shù)上有著豐富的積累。STP引擎本來(lái)是原NEC電子與NEC中央研究所共同開(kāi)發(fā)的，包括改進(jìn)后的技術(shù)在內(nèi)的話，已擁有近15年的歷史。
在設(shè)計(jì)工具方面，與其他眾多企業(yè)僅著眼于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)相比，STP引擎以已經(jīng)確立市場(chǎng)的、在ASIC設(shè)計(jì)領(lǐng)域積累了豐富業(yè)績(jī)的高層次綜合（行為級(jí)綜合）*工具為基礎(chǔ)。因此就STP引擎而言，雖然動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的市場(chǎng)目前仍處于黎明期，但其設(shè)計(jì)環(huán)境的完善度已達(dá)到很高水平。
在STP引擎中，瑞薩電子尤為重視的一點(diǎn)是，即使是不熟悉固件設(shè)計(jì)的普通軟件技術(shù)人員及算法設(shè)計(jì)人員，也可輕松地設(shè)計(jì)和優(yōu)化動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的電路。具體來(lái)說(shuō)，除了能夠以高層次綜合工具為基礎(chǔ)利用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)之外，最近還在DMA處理方面充實(shí)了各種模板，即使是不精通系統(tǒng)LSI的內(nèi)部架構(gòu)，也可輕松優(yōu)化電路構(gòu)成。
一般而言，用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的運(yùn)算器陣列開(kāi)始實(shí)施數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要利用DMA控制電路從主存儲(chǔ)器等的DRAM向運(yùn)算器陣列的RAM單元及寄存器讀入數(shù)據(jù)。對(duì)這些從主存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的操作實(shí)施優(yōu)化的話，還會(huì)影響主存儲(chǔ)器的延遲時(shí)間以及內(nèi)部總線的構(gòu)成等，因此對(duì)普通軟件技術(shù)人員來(lái)說(shuō)門(mén)檻較高。
STP引擎將這些與DMA相關(guān)的處理事先匯總成了模板。這樣，便可輕松實(shí)施諸如將某項(xiàng)功能向什么模塊做分割并行化處理的全局性優(yōu)化。比如，Yoozma的數(shù)字電視發(fā)送器，其數(shù)字電視的基帶處理當(dāng)初需要使用4塊芯片的STP引擎。但后來(lái)通過(guò)使用模板嘗試多種模塊分配，最終將芯片數(shù)量?jī)?yōu)化為了兩塊（圖5）。
圖5：利用瑞薩電子的STP引擎實(shí)施優(yōu)化的示例
圖中列出了微波數(shù)字電視發(fā)送設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程。在最初試行時(shí)使用4塊芯片的STP引擎，但最終優(yōu)化為了兩塊芯片的構(gòu)成。（圖片源自瑞薩電子）
DAPDNA也走向復(fù)活
被富士施樂(lè)作為圖像處理加速器采用于辦公一體機(jī)等的東京計(jì)器DAPDNA系列也從暫時(shí)的動(dòng)蕩中擺脫出來(lái)，正順利走向復(fù)活。開(kāi)發(fā)出DAPDNA的原IPflex公司由于營(yíng)銷戰(zhàn)略失誤等于2009年7月申請(qǐng)進(jìn)入破產(chǎn)程序，在債務(wù)清理過(guò)程中，曾為DAPDNA用戶的東京計(jì)器并入了原IPflex公司的核心技術(shù)人員，并接手了銷售、開(kāi)發(fā)及客服等全部業(yè)務(wù)。
由于富士施樂(lè)等今后有意繼續(xù)使用DAPDNA，因此東京計(jì)器決定開(kāi)發(fā)新版芯片。作為富士施樂(lè)采用的圖像處理芯片“DAPDNA-IMX”的后續(xù)產(chǎn)品，將投放“DAPDNA-IM2”（表1）。
新版芯片在保持運(yùn)算器數(shù)量與原產(chǎn)品同為1000個(gè)左右的同時(shí)，將制造技術(shù)從90nm工藝微細(xì)化到了65nm工藝，降低了制造成本，有望培育成贏利業(yè)務(wù)。與原產(chǎn)品相比，雖然運(yùn)算器數(shù)量一樣，但工作頻率提高到了約1.5倍，性能更高。