晶片價格飛漲? 嵌入式FPGA正逢其時

作者 : Andy Jaros,Flex Logix IP業務與行銷副總裁

當今的晶片設計市場競爭變得非常激烈,再加上半導體製造成本高漲,無怪乎嵌入式現場可程式邏輯閘陣列(eFPGA)市場正開始起飛。

當今的晶片設計市場競爭變得非常激烈,再加上半導體製造成本高漲,無怪乎嵌入式現場可程式邏輯閘陣列(eFPGA)市場正開始起飛。

事實上,根據市場研究公司Allied Market Research預計,2024年eFPGA授權費收入將增加到3億美元,這代表未來5年每年將以50%以上的年複合成長率(CAGR)增加。原因在哪裡呢?簡單地說,隨著產業邁向更複雜且昂貴的製程節點,eFPGA已經成為晶片設計的一個重要因素。

使用eFPGA進行設計,讓晶片設計師不再受制於暫存器傳輸級(RTL)被凍結的處境,而是可以靈活地在晶片生命週期的任何時刻進行更改,甚至在客戶系統中亦是如此。如此能夠免去許多昂貴的晶片旋轉(Chip Spin)塗佈製程,並使設計人員能夠使用相同的晶片解決許多客戶和應用問題。此外,eFPGA還能夠進一步延長晶片和系統的使用壽命,讓設計人員更能夠因應協議和標準的變化來更新其晶片。

eFPGA也變得更高度可靠且易於整合,這就是為什麼它成為晶片設計人員工具箱中最重要的工具之一。例如,Flex Logix最近合作的一家公司,在不到兩個半月的時間就成功地以鰭式場效電晶體(FinFET)製程投片(tape-out)。而且,更重要的是「首次投片即成功」這是晶片設計領域的一個重要因素,因為eFPGA 最終可以節省數百萬美元,同時提供前所未有的靈活性。

選擇FPGA還是eFPGA

許多人可能認為eFPGA就像是諸如Xilinx和Altera等廠商所提供的傳統FPGA,事實並非如此。雖然二者在技術上類似,但eFPGA不需要串列器/解串列器(SERDES)和實體層(PHY),因而晶片訊號的發送非常快速。雖然密度也很相似,但是有些eFPGA平台比其它平台更好得多,因此設計人員需要做好功課,貨比三家,才能找到最佳的平台。真正的區別在於使用者。FPGA晶片主要是由系統公司所使用,其中有些公司的使用量相當龐大。另一方面,eFPGA主要用於晶片設計公司,因為他們需要將少量類似FPGA的靈活性整合於其晶片中。

FPGA在可程式的互連結構中結合了一組可程式/可重配置的邏輯區塊陣列。而以FPGA晶片來看,晶片的外緣是由通用輸出輸入(GPIO)、SERDES以及諸如DDR3/4等專用的PHY組合而成。在高階的FPGA中,輸入/輸出(I/O)環大約是晶片的四分之一大小,而「結構」(fabric)大約是晶片的四分之三大小。在現今的FPGA晶片中,「結構」本身大部份是互連,其中20%到25%的結構區是可程式邏輯,而75%到80%是可程式互連。

簡言之,eFPGA是一種FPGA結構,沒有周邊GPIO、SERDES和PHY。反之,eFPGA使用標準的數位訊號連接至晶片的其餘部份,進而達到非常廣泛且非常迅速的晶片上互連。

eFPGA在設計結構和終端應用方面與FPGA完全不同。(圖片來源:Flex Logix)

由於eFPGA可以從數百到數百萬個查找表(LUT)中擴充,系統單晶片(SoC)設計人員可以準確地選擇需要多少重新配置能力,而且在很多情況下可以將多個eFPGA分配到整個晶片中的所需之處, 而不是在單一大型區塊中。此外,在其中使用高功耗FPGA的某些系統現在可以整合到SoC中,以達到更低的成本、更低的功耗和更高的速度。

eFPGA應用持續擴展

由於eFPGA現在可導入12奈米、16奈米、22奈米、28奈米和40奈米節點等廣泛製程,因此已經被用於許多市場和應用中。

國防:美國國防部先進研究計劃署(DARPA)將其用於晶片開發,最近還將eFPGA的可用性擴展到其它研究團隊。同樣地,另一家國防公司正利用它進行設計混淆(Design Obfuscation),將其機密的電路和程式碼置入eFPGA。這對於諸如機上盒(STB)供應商等商業客戶也非常有利。他們可以向Comcast或Dish等擁有自家專用傳輸解多工器IP模組的多家電信業者銷售產品。機上盒製造商只需使用一款晶片即可為兩個市場提供服務,光是開發新晶片的成本就能省下數百萬美元。此外,他們銷售的客戶(例如電信業者)可以將其終端系統個人化,而不需與微控制器(MCU)製造商共享其商業機密。

網路:多家網路公司現正使用eFPGA,使其加速器可以存在與資料處理單元(DPU)相同晶片上的 eFPGA中,進而降低物料清單(BOM) 成本及系統功耗,同時提升效能。

無線通訊:業界公司正運用eFPGA使其無線電基地台更加靈活,以達到通訊協議和演算法的客製化、區域化和即時更新。

航太:波音(Boeing)等航太公司正利用它來開發更小、更輕且功耗更低的航太系統。

使用eFPGA的一個令人振奮的領域是車對車(V2V)通訊。藉由使用eFPGA,無線裝置中的通訊演算法就可以輕易地進行修改,以確保它們具有最高等級的安全性。這些新一代的無線裝置並非採用被動等待駭客入侵的封閉式系統,而是可以不斷地調整並更新其演算法,隨時為任何潛在的威脅或駭客攻擊「超前部署」。

eFPGA的另一個普遍用例來自半導體市場中的無晶圓廠(Fabless)晶片設計公司。例如,索思未來(Socionext)在為一家大型通訊公司開發5G平台時,在其7奈米ASIC中運用了eFPGA。藉由eFPGA,Socionext能夠提供可重新編程的ASIC,甚至可在投片後重新配置,以因應新的需求以及依需要而不斷變更的標準和協議。藉由整合FPGA,Socionext的客戶能夠為其系統減少使用晶片,從而提升效能並降低功耗。對於電信業者而言,由於不必再為了將其專有設計加至FPGA而與ASIC供應商共享,因而也為其帶來了個人化的效益。

未來

以密度來看,eFPGA已經發展到能與傳統FPGA競爭的程度了,但eFPGA可提供更低的成本,而且也不太需要以不同晶片為客戶或市場提供服務,同時還可延長晶片和系統的使用壽命。在當今競爭的晶片設計市場中,不僅成本高漲,晶片也變得極為複雜,相形下之更彰顯出eFPGA的明顯優勢。

eFPGA正在改變晶片設計的方式,提供前所未有的靈活度和可再編程能力。有許多晶片開發商已經在使用eFPGA了,更多家廠商則在設計和評估階段。一旦晶片設計人員享受到eFPGA所提供的靈活性,就不會想再回到以往受到RTL牽制的舊製程了。

(參考原文:Sky-rocketing chip prices? Not with eFPGA,by Kenneth Wyatt)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年2月號雜誌

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論