嵌入式FPGA:過去、現在及未來

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

eFPGA的大量應用,宣示著它的時代終於到來。預計在未來的五到十年內下線的晶片中,一大部份都會含有一定程度的eFPGA成份,並暗示著在不遠的將來,eFPGA定將大有前途...

嵌入式現場可編程邏輯閘陣列(eFPGA)的大量應用,宣示著它的時代終於到來。搭載此技術的晶片被應用在無線基礎設施、人工智慧(AI)、智慧記憶體,甚至是成本敏感微控制器上。它和中央處理器(CPU)與數位訊號處理器(DSP)一樣是系統單晶片(SoC),而且無論是在使用1,000個還是500,000個查找表(LUT)的硬體中,都能動態地重新配置硬體邏輯。

為了更加瞭解這項興崛起中的編程技術,EDN訪問了Flex Logix Technologies的IP業務、行銷及解決方案架構副總裁Andy Jaros。Flex Logix是一家在2014年成立的IP公司,它們標榜能提供高密度FPGA結構,用於促進邏輯可重編程性,讓設計工程師免於繁重業務。

在訪談的一開始,我們向Jaros請教了這項科技的起源。Jaros是半導體產業的老手,職場經驗囊括了安謀(ARM)、摩托羅拉(Motorola)、ARC,以及新思科技(Synopsys)。

發展史︰不算太快

eFPGA的曲折歷程要由1990年代說起。長久以來,半導體業界一直試圖在ASIC中結合LUT以增加其靈活性。但是,它並不像FPGA一樣擁有可靠的工具鏈,因此缺乏工具一直是在晶片中使用eFPGA IP的絆腳石。

Jaros回憶起在這幾十年來,一直都有人宣稱做出了eFPGA結構。他說︰「有些老半導體廠的人說,他們早在二、三十年前就做出來了,但他們建置eFPGA的方式其實佔了很大的空間。」

傳統的FPGA使用的是網格互連(mesh interconnect),且互連在FPGA中佔了80%的空間。Flex Logix共同創辦人王成(Cheng Wang)開發了一種階層式的互連(hierarchal interconnect),所佔空間只需要網格互連的一半。這大大提升了空間及成本效益。身為eFPGA IP的供應商,Flex Logix表示其互連方式可達90%的利用率,而離散式FPGA使用的網格互連只有70%的利用率。

1eFPGA可輕易地在不同大小的匯流排上最佳化。(來源︰Flex Logix)

現況︰生意興隆

eFPGA技術的用途十分廣泛,因為它能支援的對象從小型到大型都有,應用方式非常多元。eFPGA的功能就像現成的FPGA晶片一樣,能在幾天之內傳送任何大小的陣列。Jaros說︰「ASIC公司正大力地拉攏我們,因為將FPGA功能整合在ASIC內能提升性能,並從系統的層次降低電力消耗與成本。」這讓設計工程師得以完全拋棄FPGA,或是選用更便宜的FPGA,端看應用的需求。

Jaros也提到,有些傳統上使用FPGA的系統公司也跟上了這些ASIC夥伴的腳步,開始探索eFPGA IP。這是因為它們能減少系統廠中間的堆疊量。另外,由於市場需求隨時都在快速變遷,諸如汽車OEM和Tier 1供應商等系統廠無法花上一年來研發新的產品特色。「因此,某些暫存器轉移層(RTL)的組態比十年前的樣子合理得多了。」

同時,有些高階的微控制器(MCU)開始結合硬體加速器,從而為類神經網路AI處理或是專有程式碼加速。這些狀況多半會用到16,000到20,000個LUT。接著,Jaros發現混合訊號公司對eFPGA也有極大的興趣。他說︰「狀態機是唯一會在數位方面改變的東西。因此,混合訊號設計師正期待著eFPGA能為狀態機多加一層可配置性,而無需再投資於MCU或完整的軟體工具流程。」

2Flex LogixeFPGA主體是EFLX 4K,它包括兩種版本︰全邏輯以及帶有乘積累加運算(MAC)的邏輯。(來源︰Flex Logix)

未來︰與離散式FPGA競爭?

許多人認為eFPGA產業會威脅到獨立型FPGA,但英特爾(Intel)和賽靈思(Xilinx)在研發的其實是更複雜的產品。Jaros表示︰「英特爾和賽靈思正朝向範圍更大的FPGA轉型,以支援超大規模的資料中心,因此他們為其FPGA加上了硬體CPU子系統。我認為eFPGA並不至於影響到Intel和Xilink,因為他們賣的是更大、更貴、功能更多樣的FPGA。」

Jaros也補充說明,eFPGA產業的互補性很高。「我們和Intel及Xilinx的人員討論過,他們完全不認為這兩者有衝突。」這也是因為產業部門非常多樣化,而其所要求的可重組性各不相同,因此eFPGA公司與傳統FPGA公司的衝突應該不大。

3eFPGA IP供應商認為不會與FPGA公司有所衝突。(來源︰Flex Logix)

試圖自行掌握供應鏈的公司也是推動eFPGA業務的另一個動力來源。他們可能擁有自家MCU或是ASSP,並依此建立了軟體堆疊。因此,如果多了一些eFPGA的可重組性,他們便能更動安全演算法或是專有程式碼。

多家供應商都提供了eFPGA IP。相較之下,雖然eFPGA的整合性較高,但在某些特定場合,FPGA的密度比較合用。另外,在處理節點不斷微縮的潮流下,eFPGA也愈來愈受到喜愛。Flex Logix已能支援從180奈米到5奈米的處理節點,並正積極參與3奈米的晶片設計。

Jaros如此下結論︰「我們發現人們越來越樂意以少部份空間來換取可配置性,因此,在接下來五到十年內下線的晶片中,一大部份都會含有一定程度的eFPGA成份。」日新月異的標準與獨特的AI演算法都支持著這個論述,也暗示著在不遠的將來,eFPGA將大有前途。

 

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