eFPGA是什么？幾個關(guān)于eFPGA的常見迷思

eFPGA，全稱為嵌入式FPGA（Embedded FPGA），顧名思義是將類似于FPGA的可編程邏輯陣列“嵌入”到ASIC或SoC中。在老石之前的文章《Xilinx到底有沒有贏得微軟的FPGA訂單》中，提到了Facebook可能會采用類似eFPGA的方法，作為自家數(shù)據(jù)中心的計算加速芯片。

在本文中，老石收集整理了幾個關(guān)于eFPGA的常見迷思，以及對應(yīng)的解答和討論，謹供各位讀者參考。

壹

eFPGA性能指標相關(guān)的迷思

1. eFPGA的工作頻率能否達到我的設(shè)計要求？

和ASIC相比，絕大多數(shù)的FPGA設(shè)計都無法達到同樣的運行頻率。其實，F(xiàn)PGA并非以高時鐘頻率取勝，F(xiàn)PGA的高性能主要是通過極高的硬件并行處理能力、深度流水線、以及高位寬總線等方式取得。

嵌入式FPGA，即eFPGA的本質(zhì)也是可編程邏輯陣列，因此單就運行頻率而言并不能和ASIC相比。

不過，業(yè)界和學術(shù)界也在不斷研究如何突破FPGA的頻率限制，例如，英特爾在新一代的高端FPGA產(chǎn)品Stratix10中采用了HyperFlex架構(gòu)，如下圖所示，在可編程邏輯單元之間引入了多個寄存器陣列，可以將FPGA的運行速度增加1.5~2倍。

在老石的博士研究課題中，老石發(fā)現(xiàn)很多應(yīng)用場景對誤差的容忍度很高，因此對FPGA進行簡單的“超頻”操作就可以極大提高FPGA的性能，代價僅僅是出現(xiàn)概率極小的精度損耗。

關(guān)于老石博士期間的研究內(nèi)容，有興趣的讀者可以在后臺給我留言，老石會找機會在今后的文章中繼續(xù)介紹。

2. eFPGA的功耗會不會太大？

這個問題的答案應(yīng)該是否定的。不僅如此，eFPGA的功率密度通常遠低于FPGA，或者ASIC與SoC上的其他IP。

對于傳統(tǒng)的FPGA而言，它主要的“功耗大戶”之一是FPGA的可編程I/O部分。而eFPGA直接通過芯片上總線與ASIC的其他IP相連，直接去掉了原FPGA的I/O部分，從而將削減了大部分功耗。

另一方面，如上一個問題提到的，eFPGA的頻率遠低于ASIC或SoC上的其他IP，使得eFPGA的動態(tài)功耗相對較低。

3. eFPGA能否為我的設(shè)計提供足夠的帶寬？

同樣的，對于傳統(tǒng)FPGA設(shè)計而言，系統(tǒng)性能很多時候直接受到FPGA芯片的I/O引腳數(shù)量的限制。特別是對于很多通信、網(wǎng)絡(luò)、高性能運算的應(yīng)用而言，需要FPGA芯片提供大量高性能SerDes收發(fā)器以及通用I/O引腳，以便于外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和傳輸，而這通常受到芯片封裝技術(shù)的限制。

與此相比，eFPGA沒有引腳數(shù)量限制，因為它本質(zhì)上就是集成在ASIC里的IP核。因此與FPGA相比，eFPGA與ASIC或SoC的通信帶寬可以提升10倍以上。事實上，這也是eFPGA產(chǎn)生和使用的主要推動因素之一。

eFPGA不需要芯片與芯片間的連接，而是直接通過芯片上不同IP的連接進行通信，極大提升了通信帶寬，并減少了通信延時，見下圖。

4. 使用eFPGA會導致芯片面積過大？

ASIC或SoC工程師在第一次看到FPGA時通常會被FPGA芯片的大小嚇到，因為通常FPGA芯片實在是太大了?？梢钥聪聢D，感受一下FPGA與英特爾Atom通用處理器芯片大小的對比。

通常來講，F(xiàn)PGA的主要芯片面積一半是可編程邏輯單元，另一半則是可編程的I/O及相關(guān)電路?？删幊蘄/O是FPGA安身立命的法寶之一，它使得FPGA可以與包括微處理器、ASIC、存儲器、以及其他FPGA在內(nèi)的幾乎其他任何芯片或系統(tǒng)相互通信。這也是為什么可編程I/O部分的芯片面積為何如此之大的原因。

與FPGA相比，eFPGA不需要實現(xiàn)可編程的I/O部分，因為與eFPGA相互通信的ASIC IP在設(shè)計時就已固定。當去掉了可編程I/O部分之后，對于同等邏輯密度的FPGA而言，eFPGA的芯片面積會極大縮減。

5. 使用eFPGA的成本會很高？

老石對成本方面的問題并不了解，但是，eFPGA的主要提供商之一，Achronix公司的市場部副總裁Steve Mensor稱：使用eFPGA的成本“并不會比其他IP更貴”。

老石認為，使用成本應(yīng)該從兩個角度來看。第一是用戶直接付出的金錢成本，即購買芯片或IP付出的金錢。另一個則是所購買的IP能提供的功能多樣性，即實現(xiàn)某種功能所分攤的成本。對于FPGA或eFPGA而言，它們最強大的功能是可以實現(xiàn)不同的用戶邏輯，并且在芯片流片后還能進行功能邏輯的修改，因此能大幅降低SoC和ASIC的開發(fā)風險，并提高設(shè)計的靈活性。

貳

eFPGA開發(fā)相關(guān)的迷思

1. eFPGA的開發(fā)流程與傳統(tǒng)ASIC或SoC的開發(fā)流程差別太大？

eFPGA的流程與傳統(tǒng)FPGA、ASIC或SoC的開發(fā)流程并無二致，總結(jié)起來都是邏輯綜合、布局布線、時序優(yōu)化等。和FPGA相同，eFPGA開發(fā)完成后也會生成一個二進制配置文件（bitstream），用來對可編程邏輯進行配置。包含eFPGA的SoC開發(fā)流程如下圖所示。

與其說與ASIC或SoC的開發(fā)流程不同，不如說是開發(fā)工具有很大差別，這樣就引出了下一個問題。

2. eFPGA的開發(fā)工具尚不成熟？

不管是對于FPGA設(shè)計，還是ASIC或SoC設(shè)計，開發(fā)工具一直是體現(xiàn)一個公司綜合實力的精髓所在。

芯片開發(fā)工具可以大致分成兩個層次，一個是用來設(shè)計芯片本身，主要是各大EDA公司如Cadence和Synopsys的軟件套件，涵蓋了芯片設(shè)計的各個階段。另一個則是用來開發(fā)芯片應(yīng)用的軟件，例如用于FPGA開發(fā)的英特爾FPGA的Quartus Prime和Xilinx的Vivado等，這些軟件決定了FPGA是否便于用戶使用，因此是這些公司真正的“皇冠上的明珠”。

作為eFPGA廠商而言，提供便于使用且性能穩(wěn)定的開發(fā)工具是必不可少的。這需要長期的技術(shù)積累，以及廣泛的用戶體驗與反饋。老石相信，對eFPGA開發(fā)工具的研發(fā)，會是這些eFPGA廠商的重中之重。

3. eFPGA的開發(fā)難度太大？

在生產(chǎn)方面，eFPGA的開發(fā)和集成需要eFPGA廠商、ASIC或SoC集成商、以及晶圓代工廠緊密配合，保證在不同工藝節(jié)點eFPGA都能有效整合。然而，對于單純的邏輯開發(fā)難度與周期而言，eFPGA與其他數(shù)字電路IP并無本質(zhì)區(qū)別。

在eFPGA的配置和調(diào)試方面，也與傳統(tǒng)FPGA沒有太多區(qū)別。通過開發(fā)工具產(chǎn)生的eFPGA配置文件可以通過jtag或者flash等方式，對eFPGA進行功能配置。

叁

結(jié)語

eFPGA作為一種存在許久的設(shè)計理念，在近年逐漸重新獲得人們的關(guān)注。這主要是由于eFPGA能夠提供更優(yōu)的系統(tǒng)性能與更低的芯片功耗，因此被逐漸用于5G、機器學習加速器等諸多新興領(lǐng)域。

eFPGA與FPGA二者同屬可編程邏輯陣列，有著共同的架構(gòu)和性能特點，但又有著不同的優(yōu)勢和缺點。老石認為，與其說eFPGA會替代FPGA，不如說eFPGA是FPGA的有力補充。相信在大數(shù)據(jù)和人工智能時代，這些可編程邏輯芯片一定會有著更加廣闊的應(yīng)用。