eFPGA最近幾年得到IC設計者的關注,現在筆者所知道的供應商包括七家:Achronix、Flex Logix、Menta、NanoXplore、Adicsys、QuickLogic、Efinix。

這六家公司基本囊括了3種商業模式和技術實現途徑,Achronix算是同時提供FPGA和嵌入式FPGA(eFPGA)的公司;三家家法國公司Menta和NanoXplore和Adicsys則是提供軟IP eFPGA;Flex Logix的產品則全部是硬體核心eFPGA;QuickLogic也有用GlobalFoundry製程的硬體IP;Efinix應該也是硬體IP,但是首款產品還沒推出。

在Flex Logix的宣傳頁上節選翻譯了三種商業模式的對比:

20171108NT01P1-1 資料整理:中國版《電子技術設計(EDN)》

這幾類公司各自有著先天的基因和後天的優勢。

傳統的FPGA廠商進入比較早,基本上每隔3年推新一代的FPGA,並進行全定制電路設計,通常具有最大或接近最大數量的金屬層以便獲得最高密度的FPGA,但他們有一個顯著的限制,就是金屬層問題。FPGA公司通常用最大或接近最大的金屬層來設計他們的晶片,如果使用者想要一個不同的金屬堆疊,他們必須重新佈線,可能需要4~6個月的時間,而且工程費用很高。

至於提供軟IP的公司,密度比較低,所需矽片面積就較大,所以現在一般不提供大陣列。另外,他們相容的金屬層數是未公開的。

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Flex Logix是比較晚進入的一家提供硬體核心IP的eFGPA公司。他們比較厲害的一個技術是把互連做的比較小,從而實現與全定制FPGA晶片的eFPGA基本相同的密度。

編輯注:eFPGA的工作方式與FPGA晶片類似,其中有查閱資料表,其中有可程式設計互連,其中的FPGA結構和Xilinx、Altera的是一樣的結構。

eFGPA適合用於哪些領域?扮演什麼角色?

能輕鬆為ASIC/SoC增加靈活性,使得自己的產品適用面更廣,這是eFPGA吸引關注的重要原因。Flex Logic的銷售總監簡捷向中國版《電子工程專輯》分享了現階段eFPGA的應用領域,如下圖所示(另外還有軍工應用)。他認為eFGPA就是Solution for uncertainty。

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我對圖中的存儲應用表示很疑惑,簡捷向中國版《電子工程專輯》記者解釋道,「這也是我所沒有想到的一個應用。事實上,是一些做SSD的客戶主動找上門來,因為在Flash有變化的時候,他們的SSD 控制器(controller)需要針對不同批次進行調整,比如加入FEC糾正演算法來保證產品可靠性,加入eFPGA則很好的平衡了他們SSD控制器的性能與成本。」當然這個需求主要是企業類SSD,而不是在消費類SSD。

未來最大的應用是物聯網(IoT)和微控制器(MCU),物聯網的分散性使得一些SoC廠商服務系統廠商時會缺少一些靈活性,有可能一點點小需求/變化(如不同感測器,不同無線標準)滿足不了就會失去一個客戶,而加入一些低成本的小eFPGA就能最大程度的滿足更多用戶需求。

與物聯網需求相反,高端的需求來自人工智慧(AI)/機器學習,這個領域面臨著演算法的變化,同時卻是一個高計算需求的應用,所以需要加入大的eFPGA滿足其要求。

另外一個是5G,大家搶著想賣5G(這個大部分需求是基地台而非手機),而且28/16、甚至7nm的流片成本都很高,在標準未定之前加入eFPGA來快速搶佔市場是個不錯的主意。

工程師用eFPGA會遇到什麼樣的挑戰?

說了這麼多,畢竟是個新東西,那麼,工程師用eFPGA會碰到哪些問題呢?

˙第一,時序怎麼弄?簡捷表示,這是遇到的很多工程師關注的第一大問題。整合硬體核心很容易,但是繼承後的Timing很難,因為不同於矽SoC的時序是不變的,FPGA的時序是變化的,所以怎麼匹配是個問題。他指出,他們提供的都是經過驗證的,Timing report都是根據矽的時序來的。 ˙第二,可靠性和良率問題。工程師在這方面也略有擔憂,但純邏輯的製程在這方面還是有優勢的。 ˙第三,測試手段。測試是個問題,使用者需要多一些的使用者筆記來説明自己設置、除錯(debug)FPGA設計。不過eFPGA有個有意思的地方是,甚至可以用eFPGA來測整個晶片的訊號,可以測完再配置為其他需要的檔案。