對于eFPGA與FPGA SoC之間的對比分析和異同

近年來，在終端應(yīng)用轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)芯片面臨材料和架構(gòu)瓶頸等現(xiàn)狀的影響下，市場對FPGA的關(guān)注達(dá)到了前所未有的高度。但傳統(tǒng)單純的FPGA似乎不能滿足多樣化的需求，從而延伸出eFPGA和FPGA SoC這兩個(gè)方向。新的嵌入式FPGA和業(yè)界一直在努力整合的FPGA SoC，誰會(huì)是未來的選擇？

eFPGA：冉冉升起的新星

eFPGA即嵌入式FPGA（embedded FPGA），是近期興起的新型電路IP。

隨著摩爾定律越來越接近瓶頸，制造ASIC芯片的成本越來越高。因此，設(shè)計(jì)者會(huì)希望ASIC能實(shí)現(xiàn)一定的可配置性，同時(shí)又不影響性能。在希望能做成可配置的模塊中，負(fù)責(zé)與其他芯片或者總線通信的接口單元又首當(dāng)其沖。在芯片中，模塊間的通信往往使用簡單的并行接口或者配合簡單的時(shí)序邏輯，但是在芯片間通信時(shí)為了保證可靠性，必須通過一系列握手（handshake）協(xié)議來完成通信接口。設(shè)計(jì)者往往希望自己的SoC能夠與市面上盡可能多的其他芯片通信，然而市場上的芯片通信接口并沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)一些通信協(xié)議也在隨著時(shí)間不斷更新?lián)Q代，因此芯片間通信往往需要一些中介（bridge）芯片。事實(shí)上，使用FPGA芯片作為芯片間通信的中介已經(jīng)是很常見的做法，因?yàn)镕PGA具有可配置性，因此可以作為通用通信中介。例如，Apple在iPhone7中集成了一小塊Lattice的FPGA芯片，據(jù)推測就是為了實(shí)現(xiàn)芯片間的通信中介和可配置互聯(lián)。然而，在硬件系統(tǒng)中使用額外的通信中介芯片成本較高，而且也不利于維護(hù)，那么，有沒有集成度更高的方案呢？這時(shí)候，eFPGA就應(yīng)運(yùn)而生，通過把一小塊FPGA電路IP集成到SoC中充當(dāng)接口握手協(xié)議處理單元，可以大大提高SoC接口的靈活性，因此能與不同的其他芯片進(jìn)行通信。

除此之外，隨著目前異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的興起，eFPGA又看到了一種新的可能，即在SoC上實(shí)現(xiàn)高集成度的異構(gòu)計(jì)算，讓eFPGA隨著系統(tǒng)的需求在處理不同的應(yīng)用時(shí)配置成不同的模塊。這與Intel收購Altera FPGA的終極目標(biāo)相同，只是Intel收購Altera之后，Altera的FPGA IP只會(huì)集成在Intel的芯片上，而eFPGA廠商則可以把IP提供給任何花錢購買的客戶。

eASIC概念第一次進(jìn)入大眾視野可以說是2014年，由UCLA的Cheng C. Wang，F(xiàn)ang-Li Yuan和Dejan Markovic等人在ISSCC發(fā)表的文章，“A Multi-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile Computing”。在這篇文章中，作者們通過創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)互聯(lián)單元，一舉解決了FPGA的功耗、性能和成本受到布線資源限制的問題，從而使得eASIC集成到SoC中真正變?yōu)榭赡埽撜撐囊惨蚱渫怀鲐暙I(xiàn)獲得了ISSCC Lewis Award。之后，Cheng C. Wang，F(xiàn)ang-Li Yuan和Dejan Markovic就利用該論文中的成果成立了FlexLogix，推廣eFPGA的概念，并使其真正能夠商用化。

到了今年，eFPGA的概念已經(jīng)獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可，而該領(lǐng)域的公司也在慢慢變多。在前幾天舉行的ARM TechCon中，我們看到了四家公司，分別是FlexLogix，Achronix，QuickLogic以及Menta。

FlexLogix作為eFPGA的先驅(qū)，在本屆ARM TechCon上推出的新亮點(diǎn)是用于2.5D封裝的小型FPGA芯片。該芯片主要解決的問題是，如果ASIC使用成熟工藝（如65nm）實(shí)現(xiàn)，但是eFPGA在65nm上跑不到預(yù)期的性能怎么辦？使用FlexLogix的小型FPGA芯片，就可以把16nm的eFPGA和65nm的ASIC使用硅載片（silicon interposer）之類的2.5D封裝技術(shù)集成到一起，從而實(shí)現(xiàn)客戶所需要系統(tǒng)性能。

Achronix的亮點(diǎn)則是高速eFPGA IP。其最新一代的Speedcore IP將會(huì)在TSMC 7nm工藝上實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)的性能。另外，Achronix的Speedster FPGA芯片也在出貨中。作為首家eFPGA進(jìn)入量產(chǎn)芯片的公司，Achronix2016-2017年收入猛增，值得關(guān)注。

QuickLogic是老牌FPGA廠商，現(xiàn)在也加入了eFPGA的戰(zhàn)場，為我們帶來了ArcticPro系列IP。其主要市場是超低功耗SoC市場，例如藍(lán)牙、物聯(lián)網(wǎng)等等，它的eFPGA將給這些超低功耗SoC帶來可配置性，從而實(shí)現(xiàn)更好的功耗與成本。另外，QuickLogic的eFPGA支持以性價(jià)比高著稱的SMIC，也是其一大亮點(diǎn)。

Menta與之前三家相比，其最大的亮點(diǎn)是可移植性最好，因?yàn)橹叭夜咎峁┑膃FPGA都是GDS硬IP，而Menta能夠提供RTL軟IP，因此可以輕松移植到不同的工藝上。

FPGA SoC：老樹發(fā)新枝

如果說eFPGA是往SoC里面加入FPGA的話，那么FPGA SoC的概念就是在FPGA里面加上了處理器。FPGA經(jīng)過這么多年的發(fā)展，已經(jīng)不只是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的平臺，而變成了一種獨(dú)立的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式。FPGA可快速重配置的特點(diǎn)使它在許多對靈活性有要求的平臺如魚得水。

為了能從外部方便地控制FPGA，往往需要在FPGA里面實(shí)現(xiàn)一個(gè)微處理器以運(yùn)行操作系統(tǒng)以及相關(guān)程序，然后把程序中可加速的部分使用FPGA里面的可配置邏輯高效執(zhí)行。雖然程序中的大部分運(yùn)算都可以由FPGA加速，但是操作系統(tǒng)部分卻可能成為整體實(shí)現(xiàn)的瓶頸：在傳統(tǒng)FPGA中，微處理器往往會(huì)用軟核（如MicroBlaze）在FPGA上實(shí)現(xiàn)，因此比起用來加速的邏輯部分，微處理器的運(yùn)行速度會(huì)比較慢（時(shí)鐘頻率<100 MHz），從而拖慢了整體系統(tǒng)的效率。有鑒于此，Altera和Xilinx都推出了自己的方案，即在FPGA芯片內(nèi)集成一個(gè)微處理器硬核（如ARM系列處理器）。該硬核不使用FPGA而是由定制邏輯實(shí)現(xiàn)，因此可以跑在很高的時(shí)鐘頻率（～1GHz甚至更高）。因此，在FPGA SoC中，處理器性能不再成為瓶頸，從而使整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高性能。

目前Xilinx和Altera都已經(jīng)推出了FPGA SoC相關(guān)產(chǎn)品，并且獲得了用戶的一致認(rèn)可。然而，F(xiàn)PGA SoC的前景遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止FPGA+高速處理器硬核。大家知道，F(xiàn)PGA開發(fā)生態(tài)發(fā)展較慢，一個(gè)重要原因就是硬件邏輯代碼編寫的學(xué)習(xí)曲線非常陡峭，導(dǎo)致開發(fā)者敬而遠(yuǎn)之。為了減少開發(fā)者的學(xué)習(xí)成本并加快開發(fā)速度，F(xiàn)PGA廠商紛紛推出高級綜合工具（high-level synthesis），可以直接把C語言之類的高級語言翻譯成RTL，從而大大簡化FPGA硬件開發(fā)。而FPGA SoC配合高級綜合工具雙劍合璧能讓整個(gè)開發(fā)流程更簡單：首先開發(fā)者用C寫傳統(tǒng)ARM上能跑的程序代碼，之后高級綜合工具把代碼中能夠用FPGA加速的部分轉(zhuǎn)化成RTL并用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，而代碼的其他部分則跑在FPGA SoC中的ARM硬核上面。這樣就讓高性能FPGA開發(fā)變得非常容易，可望在未來讓更多開發(fā)者能加入FPGA生態(tài)。

eFPGA與FPGA SoC，誰將引領(lǐng)下一代可編程硬件之潮流？

那么，eFPGA IP和FPGA SoC，誰將在未來更受歡迎呢？筆者認(rèn)為，這兩種生態(tài)都表明了SoC在摩爾定律遇到瓶頸的今天走向可配置的潮流，只是eFPGA從SoC的角度出發(fā)，而FPGA SoC則是從傳統(tǒng)FPGA的角度出發(fā)。這有點(diǎn)類似之前的微處理器，以Intel代表的傳統(tǒng)處理器芯片提供商的技術(shù)發(fā)展路徑是以處理器為本，并在處理器芯片中集成更多多媒體處理單元，例如集成顯卡，使得處理器更接近SoC；而以ARM為代表的IP提供商則是提供處理器IP，為ASIC中集成合適的處理器IP成為實(shí)用的SoC變得更方便。這兩種生態(tài)將會(huì)同時(shí)存在，然后隨著市場的發(fā)展或許會(huì)在某個(gè)中間點(diǎn)融合在一起。