嵌入式 FPGA (eFPGA) 技術(shù)的過去、現(xiàn)在和未來

嵌入式 FPGA (eFPGA) 的時(shí)代終于到來了，這從其在無線基礎(chǔ)設(shè)施、人工智能 (AI)、智能存儲(chǔ)，甚至對(duì)成本敏感的微控制器的芯片中的影響力中可見一斑。作為片上系統(tǒng) (SoC) 子系統(tǒng)，就像 CPU 或 DSP 一樣，它動(dòng)態(tài)地重新配置硬件邏輯，其大小范圍從 1,000 到 500,000 個(gè)查找表 (LUT)。

EDN采訪了 Flex Logix Technologies 的 IP 銷售、營(yíng)銷和解決方案架構(gòu)副總裁 Andy Jaros，以了解這種新興可編程技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。Flex Logix 成立于 2014 年，是一家 IP 公司，聲稱提供高密度 FPGA 架構(gòu)以促進(jìn)邏輯可重構(gòu)性，而無需設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行繁重的工作。

我們通過向 Jaros 詢問這項(xiàng)技術(shù)的起源來開始討論。Jaros 是半導(dǎo)體行業(yè)的資深人士，其職業(yè)道路從 Arm 和 ARC 到摩托羅拉和 Synopsys。

歷史：沒那么快

eFPGA 的概念有一段曲折的歷史，可以追溯到 1990 年代。長(zhǎng)期以來，半導(dǎo)體行業(yè)的人們一直在談?wù)搶?LUT 納入 ASIC 以獲得額外的靈活性。然而，與帶有強(qiáng)大工具鏈的 FPGA 不同，工具的缺乏是在芯片中實(shí)現(xiàn)嵌入式 FPGA IP 的主要障礙。

Jaros 回憶說，幾十年來一直有人聲稱創(chuàng)建了 eFPGA 結(jié)構(gòu)?！耙恍├吓瓢雽?dǎo)體公司的人說，他們?cè)诖蠹s 20 到 30 年前曾經(jīng)這樣做過，但他們實(shí)施嵌入式 FPGA 的方式占據(jù)了很大的領(lǐng)域?！?/p>

傳統(tǒng)FPGA采用網(wǎng)狀互連，F(xiàn)PGA中80%的面積被互連占用。Flex Logic 聯(lián)合創(chuàng)始人 Cheng Wang 開發(fā)了一種分層互連，與網(wǎng)狀互連相比，它占用的面積只有一半。反過來，這提供了顯著的面積和成本優(yōu)勢(shì)。eFPGA IP 供應(yīng)商還聲稱其互連實(shí)現(xiàn)了 90% 的利用率；另一方面，在分立 FPGA 中使用網(wǎng)狀互連時(shí)，我們看到近 70% 的利用率。

圖 1eFPGA 可以針對(duì)各種總線大小輕松優(yōu)化。資料來源：Flex Logix

現(xiàn)狀：生意不錯(cuò)

eFPGA 技術(shù)非常通用，因?yàn)樗С謴姆浅Ｐ〉膶?shí)例到非常大的各種應(yīng)用實(shí)例。eFPGA 的工作原理類似于現(xiàn)成的 FPGA 芯片，可以在幾天內(nèi)交付任意大小的陣列。

“我們對(duì) ASIC 公司的吸引力很大，”Jaros 說。“將 FPGA 功能集成到 ASIC 中提高了性能并降低了系統(tǒng)級(jí)的功耗和成本?！?這允許設(shè)計(jì)工程師根據(jù)應(yīng)用要求完全取消 FPGA 或使用更便宜的 FPGA。

Jaros 還指出，傳統(tǒng)上使用 FPGA 的系統(tǒng)公司正開始與其 ASIC 合作伙伴一起探索 eFPGA IP。它允許系統(tǒng)制造商停留在中間堆棧的較低級(jí)別。此外，雖然市場(chǎng)需求瞬息萬變，但汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商等系統(tǒng)制造商迫不及待地等待一年來添加新功能?！耙虼?，某些 RTL 可配置性比 10 年前更有意義?！?/p>

然后，有更高端的 MCU 開始集成硬件加速器，無論是用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) AI 處理還是專有代碼加速。這些場(chǎng)景通常使用 16,000 到 20,000 個(gè) LUT。接下來，Jaros 看到了混合信號(hào)公司的更多興趣。“數(shù)字方面唯一改變的是狀態(tài)機(jī)，”Jaros 說?！耙虼?，混合信號(hào)設(shè)計(jì)人員正在尋找 eFPGA，以便在無需投資 MCU 和完整的軟件工具流程的情況下，為狀態(tài)機(jī)增加一定程度的可配置性?！?/p>

圖 2Flex Logix 的 eFPGA 基于 EFLX 4K，該 tile 有兩個(gè)版本：所有邏輯或主要是帶有一些乘法累加器 (MAC) 的邏輯。資料來源：Flex Logix

未來：與分立 FPGA 的競(jìng)爭(zhēng)

關(guān)于 eFPGA 業(yè)務(wù)的普遍看法是，它將對(duì)獨(dú)立 FPGA 細(xì)分市場(chǎng)構(gòu)成威脅。然而，英特爾和賽靈思正在做的是開發(fā)復(fù)雜的產(chǎn)品?！坝⑻貭柡唾愳`思正在進(jìn)入更大的 FPGA 空間以支持超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，為此，他們正在他們的 FPGA 周圍添加硬件 CPU 子系統(tǒng)，”Jaros 說?！拔艺J(rèn)為 eFPGA 不會(huì)影響英特爾和賽靈思，因?yàn)樗鼈冋阡N售具有大量功能的大型、昂貴的 FPGA?！?/p>

他補(bǔ)充說，eFPGA 業(yè)務(wù)非常互補(bǔ)?！拔覀円呀?jīng)與賽靈思和英特爾的人員進(jìn)行了交談，他們根本沒有發(fā)現(xiàn)任何沖突?！?這也是因?yàn)閷?duì)可重構(gòu)性的要求跨越了廣泛的行業(yè)領(lǐng)域，因此與傳統(tǒng)的 FPGA 公司可能不會(huì)有太大的沖突。

圖 3eFPGA IP 供應(yīng)商認(rèn)為與傳統(tǒng) FPGA 公司沒有太大沖突。資料來源：Flex Logix

推動(dòng) eFPGA 業(yè)務(wù)發(fā)展的另一個(gè)因素是希望控制其供應(yīng)鏈的公司。他們可能擁有自己的 MCU 或 ASSP，并圍繞這些 MCU 或 ASSP 構(gòu)建了軟件堆棧。因此，通過添加某種程度的 eFPGA 可重構(gòu)性，他們可以交換安全算法或?qū)Ｓ写a。

eFPGA IP 可從多個(gè)供應(yīng)商處獲得，雖然這些 IP 的集成度相對(duì)更高，但 FPGA 的密度開始對(duì)某些應(yīng)用有意義。另一件使鐘擺轉(zhuǎn)向 eFPGA 的事情是轉(zhuǎn)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)。Flex Logix 在支持從 180 nm 到 5 nm 的工藝節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，目前一直從事芯片設(shè)計(jì)一直到 3 nm。

“我們看到越來越多的人愿意為了可配置性而犧牲一點(diǎn)面積，”Jaros 總結(jié)道?！耙虼耍谖磥?5 到 10 年內(nèi)流片的絕大多數(shù)芯片都將具有一定程度的 eFPGA 內(nèi)容?！?快速發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和獨(dú)特的 AI 算法支持這種敘述，以及隨后 eFPGA 在不久的將來的承諾。

編輯：fqj