嵌入式FPGA的未來是怎么樣的？

據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察了解，目前國內(nèi)有多家FPGA公司在做eFPGA的相關(guān)業(yè)務(wù)，但eFPGA的利潤比FPGA要少很多，他們的邏輯是什么？據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士指出，eFPGA相當(dāng)于FPGA內(nèi)核IP授權(quán)，想像ARM那樣賺錢，這不太容易。那么，eFPGA是否有未來呢？

眾所周知，與幾年前相比，當(dāng)前的FPGA公司格局大不相同。幾年前，Altera被英特爾收購。Xilinx正在與AMD合并的過程中。過去很多年的FPGA初創(chuàng)公司都已不復(fù)存在。同時，一些新公司的差異化技術(shù)正在成功地被市場采用。但是eFPGA本身并不是新產(chǎn)品，eFPGA這種產(chǎn)品形式的出現(xiàn)可以說改寫了FPGA產(chǎn)品的走向。。

什么是eFPGA？

首先，什么是eFPGA？嵌入式FPGA（eFPGA）是嵌入在定制SoC或ASIC器件中的FPGA IP內(nèi)核。該IP可被許可使用，其用途與半導(dǎo)體設(shè)計中使用的其他IP相似。

為什么eFPGA突然引起如此大的關(guān)注？主要有兩點：一是開發(fā)成本隨著每一代新工藝的產(chǎn)生而急劇上升。這些都是由抽象設(shè)計本身的復(fù)雜性以及在實際SoC器件中這些設(shè)計的物理實現(xiàn)所驅(qū)動的，包括軟件工具、工程時間和掩模成本等項目。第二（相反地），這些設(shè)備的單位功能成本一直在下降。例如，二三十年前，F(xiàn)PGA門相對昂貴，因此FPGA設(shè)備傾向于用于原型和預(yù)生產(chǎn)，而不是大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。所以以前試圖在ASIC中添加FPGA門通常會增加總體的模具尺寸和復(fù)雜性，以至于新的混合器件將變得過于昂貴而不實用。

現(xiàn)在，F(xiàn)PGA門的成本已降低。取而代之的是，SoC設(shè)計涉及的高成本增加了因沒有合適的產(chǎn)品來滿足特定市場需求而帶來的風(fēng)險，而FPGA門的相對較低的成本意味著嵌入FPGA技術(shù)可以獲得一定程度的設(shè)計靈活性（因此降低市場風(fēng)險）具有經(jīng)濟意義。

與獨立FPGA的設(shè)計過程不同，eFPGA設(shè)計人員可以為其客戶的應(yīng)用選擇所需的邏輯，DSP和存儲器資源的確切數(shù)量。當(dāng)移入大批量生產(chǎn)時，eFPGA還可以通過消除獨立的FPGA來降低系統(tǒng)成本，功耗和電路板空間。具體來看，相比FPGA，eFPGA具有如下優(yōu)勢：

更高的性能：eFPGA通過廣泛的并行接口連接到ASIC，從而提供了更高的吞吐量，并且延遲以單位個數(shù)的時鐘周期計算；

較低的功率：可編程I / O電路占獨立FPGA總功耗的一半。eFPGA具有直接與SoC的有線連接，從而完全消除了大型可編程I / O緩沖器。可以根據(jù)您的要求精確調(diào)整eFPGA的大小，并且您可以調(diào)整處理技術(shù)以權(quán)衡性能與功耗之間的關(guān)系。

降低系統(tǒng)成本：eFPGA的管芯尺寸比獨立的FPGA小得多-消除了可編程I / O緩沖器，未使用的DSP和存儲器模塊以及超額配置的LUT和寄存器。傳統(tǒng)的FPGA引腳數(shù)大且引腳間距緊密，因此您必須制造多層PCB。嵌入式FPGA消除了對專用PCB以及所有支持組件（如電源調(diào)節(jié)器，時鐘發(fā)生器，電平轉(zhuǎn)換器和無源組件）的需求。

更高的系統(tǒng)可靠性和良率：將FPGA功能集成到ASIC中可改善系統(tǒng)級信號完整性，并消除與在PCB上安裝獨立FPGA有關(guān)的可靠性和良率損失。

現(xiàn)在eFPGA可以從多家供應(yīng)商，各種代工廠（臺積電，格芯，中芯國際和三星）以及工藝節(jié)點（例如180、40、28、22、16、14、12和7nm）上購得。

eFPGA玩家層出，國外居多

這幾年eFPGA的玩家真是如雨后春筍般的崛起。國外的eFPGA玩家中不乏有新老玩家的切入：Achronix、QuickLogic、Flex Logix、Menta、Adicsys、NanoXplore、ADICSYS、Efinix，他們有的提供軟IP，有的提供硬IP。國內(nèi)的FPGA相對起步晚，eFPGA更晚一些，目前了解到中科億海微在做eFPGA。在此，我們簡單說幾家有代表性的eFPGA廠商。

說到eFPGA，真正讓eFPGA火起來走進大眾視野的當(dāng)屬Achronix，此前該公司一直銷售高端FPGA，而在后來開始提供嵌入式FPGA（eFPGA IP）。Achronix的Speedcore是第一個投放市場的eFPGA IP，Speedcore eFPGA專為計算和網(wǎng)絡(luò)加速應(yīng)用而設(shè)計，基于與Achronix的Speedster22i FPGA相同的高性能架構(gòu)，該架構(gòu)已經(jīng)批量生產(chǎn)多年。

Achronix是唯一一家在前沿工藝節(jié)點上提供FPGA芯片和IP產(chǎn)品的獨立公司，目前其正在通過SPAC上市。PCIe 5.0的出現(xiàn)，以及希望在網(wǎng)絡(luò)路線圖上利用其技術(shù)來構(gòu)建加速器卡的越來越多的潛在客戶，Achronix迎來了很大的發(fā)展契機。

最近，他們已經(jīng)將自己的FPGA調(diào)整為成為下一代數(shù)據(jù)中心核心的DPU。而其競爭對手Xillinx和Altera由于擁有x86所有權(quán)而被限制，并在此過渡中扮演次要角色。因為如亞馬遜，阿里巴巴，百度，谷歌，F(xiàn)acebook，微軟和騰訊都希望對未來數(shù)據(jù)中心的硬件/軟件結(jié)構(gòu)進行完全的垂直控制。他們希望通過內(nèi)部的芯片工作以及與規(guī)模較小的公司的合作伙伴關(guān)系來開發(fā)自己的解決方案。他們可以將Achronix的IP與ARM和Synopsis的其他IP集成在一起，以構(gòu)建自己的自定義DPU。

Blake解釋道：“隨著時間的推移，如果你看看集成電路或ASIC不斷發(fā)展，它們會逐步集成更多的能力，從內(nèi)存到高速SERDES再到DSP塊，然后是cpu和ML處理器。這種整合路徑很常見。我對嵌入式FPGA的看法是，為什么ASIC或SoC公司不集成FPGA？很早之前，我就知道這不是“如果”，而是“什么時候”。隨著最新一代的使用模式和高端市場更廣泛的應(yīng)用，這是有道理的?！彼a充說，他們的雙重業(yè)務(wù)模式是使他們能夠借助高價值的授權(quán)抵御行業(yè)沖擊的關(guān)鍵。其實這種模式就如同現(xiàn)在的Arm的業(yè)務(wù)模式。

在Achronix看來，如果他們以較低的許可費和特許權(quán)使用費對較小的內(nèi)核進行許可，而對較大的內(nèi)核進行更高的制造許可費和每個設(shè)備的芯片特許權(quán)使用費，這些設(shè)備可以是按百萬美元數(shù)量級的“小”設(shè)備，也可以是按1，000萬美元至2，000萬美元范圍的“大”設(shè)備。他們正在利用其他公司的研發(fā)團隊來開發(fā)包含我們技術(shù)的產(chǎn)品，而且他們沒有制造成本。這是一項利潤率非常高的業(yè)務(wù)。

而英特爾和AMD永遠不會為其核心FPGA IP授予許可。IP許可業(yè)務(wù)是只有獨立公司才能從事的業(yè)務(wù)。現(xiàn)在已經(jīng)不像過去那樣賺錢了，現(xiàn)在的云服務(wù)提供商正積極尋求擺脫像英特爾這樣的供應(yīng)商所依賴的過時的商業(yè)模式，那么這個行業(yè)必須發(fā)展。事實上，盡管擁有Altera，英特爾仍在使用Achronix，這充分說明了Speedster 22i的質(zhì)量。

另外一家eFPGA廠商Flex Logix Technologies的eFPGA業(yè)務(wù)已經(jīng)實現(xiàn)現(xiàn)金盈利。他們最初是跟政府合作，特別是DARPA（國防高級研究計劃局）。同時這項合作為他們帶來了很多項目，也有商業(yè)客戶，例如Dialog Semiconductor為其可配置電源管理IC（PMIC）。Dialog于2019年底授權(quán)Flex Logix的eFPGA及其編譯器，以實現(xiàn)Dialog未來PMIC的可配置性。

今年3月初，F(xiàn)lex Logic表示已擴大與DARPA的EFLX eFPGA技術(shù)的許可協(xié)議。該協(xié)議使DARPA研究人員能夠保留硬連線電路的所有優(yōu)勢，同時還增加了在流片后需要修改，更新或修復(fù)其算法或加速器中的功能性錯誤時更改電路的功能。自2017年與DARPA合作以來，F(xiàn)lex Logix已向許多美國政府資助的程序提供了eFPGA，這些程序需要eFPGA在更高級節(jié)點的芯片中具有靈活性和可重編程性。

最近他們開始將業(yè)務(wù)聚焦在AI上，目前其已完成5500萬美元的D輪融資，將用于擴大其業(yè)務(wù)的人工智能（AI）推理部分。他們的推理芯片InferX X1目前正在向客戶提供樣品。這筆資金將使其能夠提高該芯片的產(chǎn)量，并組建新的銷售團隊以專注于這一方面的業(yè)務(wù)。InferX X1芯片和電路板將在2021年中期投入量產(chǎn)，同時還將提供InferX Inference編譯器，該編譯器將使用Tensorflow Lite和ONNX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并生成運行InferX X1的代碼，而無需其他解決方案所需的詳細編程。

Flex Logix的推理體系結(jié)構(gòu)針對邊緣百萬像素視覺應(yīng)用程序所需的低延遲操作進行了優(yōu)化。它將眾多一維張量處理器與可重新配置的高帶寬，無阻塞互連結(jié)合在一起，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的每一層都可以配置為最大程度地利用，從而以較低的成本和功耗實現(xiàn)了非常高的性能。處理模型時，將在百萬分之一秒內(nèi)重新配置計算和內(nèi)存之間的連接。該體系結(jié)構(gòu)是Flex Logix的InferX X1邊緣推理加速器的基礎(chǔ)，該加速器現(xiàn)在正在運行YOLOv3對象檢測和采樣以吸引主要客戶。

“這種可編程互連架構(gòu)是從eFPGA架構(gòu)演變而來的。僅僅兩年多以前，一位客戶正在征求有關(guān)如何在FPGA上實現(xiàn)推理的建議。我的聯(lián)合創(chuàng)始人提出了一個新架構(gòu)InferX。在許多FPGA中，其中80％用于可編程互連，而不是可編程邏輯。相同的可編程互連用于推理，它是非阻塞的，可滿足客戶解決延遲問題的需求?！盕lex Logix的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Geoff Tate在接受EE Times采訪時表示。

除了這兩家，其實在歐洲也有一家eFPGA正在迅速發(fā)展，那就是來自法國的Menta。Menta是歐洲唯一經(jīng)過驗證的半導(dǎo)體eFPGA提供商。據(jù)官網(wǎng)介紹，Menta是一家私有公司，為SoC，ASIC或ASSP設(shè)計提供100％第三方標(biāo)準(zhǔn)單元嵌入式FPGA IP。我們的技術(shù)使用戶可以毫不費力地更新芯片的后期生產(chǎn)，無論是修復(fù)錯誤，實現(xiàn)客戶特定的功能，適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，還是增強安全性。Menta IP與Origami工具鏈一起提供，以從RTL生成比特流，包括合成。

國內(nèi)的中科億海微電子科技（蘇州）有限公司成立于2017年1月，是由中科院電子所旗下產(chǎn)業(yè)化平臺聯(lián)合研究院可編程芯片與系統(tǒng)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)團隊，研制具有高可靠性的嵌入式可編程IP 核、可編程芯片和EDA軟件，實現(xiàn)可編程芯片軟硬件的全面自主可控。其eFPGA產(chǎn)品為億靈犀 eLinkSeas，LUT數(shù)量為640~92000，支持境內(nèi)40nm工藝。

eFPGA是否有未來？

說eFPGA的未來，不妨借鑒下Arm的發(fā)展路徑，Arm自1990年開始授權(quán)處理器IP，到2019年，它獲得了5.5億美元的新處理器許可（它們的專利使用費收入要高得多），這是經(jīng)過30年的市場發(fā)展之后的結(jié)果。eFPGA還較新，Allied Market Research預(yù)測，2024年eFPGA許可收入將增長至3億美元。

eFPGA在成本，功耗，性能和電路板復(fù)雜度方面的優(yōu)勢非?？捎^，有趣的是，什么樣的應(yīng)用程序成為采用eFPGA的“最佳落地點”。2021年3月，Achronix宣布客戶的ASIC中已經(jīng)發(fā)貨了1000萬個Speedcore eFPGA IP內(nèi)核。這顯示了eFPGA IP技術(shù)的快速增長以及Achronix的Speedcore eFPGA IP解決方案的質(zhì)量。

好消息是，如今，云廠商大舉進攻ASIC芯片，紛紛開始投入自研行列，相比較而言，這些云廠商大多財大氣粗，勢必給eFPGA的發(fā)展帶來很大的契機。ASIC / SoC設(shè)計中大量的選擇和eFPGA技術(shù)的迅速采用，對賽靈思和英特爾等公司的獨立FPGA的統(tǒng)治地位構(gòu)成了新的威脅，具有嵌入式結(jié)構(gòu)的第三方SoC可能會與兩家大公司的SoC FPGA產(chǎn)品競爭。

按照eFPGA供應(yīng)商Menta的觀點，對于那些需要大量可編程邏輯資源的小批量，高價值的應(yīng)用，F(xiàn)PGA發(fā)揮了出色的作用，我們這里說的是數(shù)百萬個LUT。例如，在數(shù)據(jù)中心中，獨立FPGA上的AI工作負(fù)載正在大大打擊GPU，但是，在邊緣和負(fù)載方面，將成本和低功耗作為首要考慮因素時，獨立的FPGA并沒有多大意義，進行原型設(shè)計時除外。微軟已在Azure中廣泛部署了FPGA，在某個時候，數(shù)據(jù)中心可能會將eFPGA集成到ASIC中，以更有效地利用eFPGA的性能優(yōu)勢。AI領(lǐng)域也是，如前文所說，F(xiàn)lex Logix使用eFPGA開發(fā)優(yōu)化的推理加速器InferX X1，Achronix也正在為AI實現(xiàn)優(yōu)化的MAC。

Menta還在客戶中看到了另一種現(xiàn)象，可配置性。在使用eFPGA之前，一些客戶可能會擁有數(shù)百種功能稍有不同的不同芯片?，F(xiàn)在，借助少量的eFPGA，他們可以擁有一個裸片，由此可以生產(chǎn)100個不同的SKU，而沒有庫存風(fēng)險。這對他們來說是無價的。

最后，特別是在加密技術(shù)中，eFPGA可以起到更高的安全性。如果加密被硬連接到門中，則始終可以進行逆向工程。如果僅在運行時將其加載到ASIC中（您可以使用eFPGA進行此操作），則進行逆向工程將更加困難。

除了上面這些，在通信，自動駕駛，高頻交易，挖礦在這些市場中，ASIC和SoC是可預(yù)見的未來的真正贏家。實際上，eFPGA的應(yīng)用似乎是無止境的，隨著客戶提出如何使用eFPGA的學(xué)習(xí)曲線，并不斷要求供應(yīng)商支持新特性和功能以改善其價值主張，它將繼續(xù)發(fā)展，真正的客戶需求將成為eFPGA未來發(fā)展的原動力。

然而，與所有復(fù)雜的技術(shù)一樣，也存在一些挑戰(zhàn)。其中之一是，eFPGA有節(jié)點限制，所以并不適合所有人，eFPGA IP架構(gòu)、尺寸和技術(shù)以及跨不同代工廠和流程節(jié)點的SoC實現(xiàn)有很多很多可能的組合。還存在與需要不同數(shù)量的金屬層、管理時鐘域邊界和協(xié)調(diào)不同電源管理方案相關(guān)的潛在集成問題。

然而，eFPGA技術(shù)只有在可編程邏輯有效集成在SoC內(nèi)時才能成功。這需要技術(shù)、架構(gòu)和軟件工具的正確組合，以便開發(fā)團隊有一個完整和有效的設(shè)計流程，使他們能夠無縫地從概念到工作硅，再到生產(chǎn)后市場調(diào)整和準(zhǔn)備發(fā)貨的產(chǎn)品。

未來，eFPGA技術(shù)能否像今天的Arm處理器一樣普及值得我們深思。

原文標(biāo)題：eFPGA，會有未來嗎？

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