Что такое eFPGA?

eFPGA — это своего рода микросхема, которая программируется схематически и может использоваться для изменения и настройки внутренней структуры соединений и логических ячеек устройства с помощью программных средств для выполнения установленных проектных функций.

Каталог

Ⅰ Введение eFPGA

Ⅱ Преимущества eFPGA

Ⅲ Игроки в eFPGA

Ⅳ Часто задаваемые вопросы о eFPGA

Ⅰ Введение eFPGA

eFPGA ( Embedded FPGA ) встраивает одну или несколько FPGA в виде IP в чипы, такие как ASIC , ASSP или SoC . Этот IP-адрес может быть лицензирован для использования, и его использование аналогично другим IP-адресам, используемым в разработке полупроводников .

Другими словами, eFPGA представляет собой структуру с цифровой реконфигурацией, состоящую из программируемой логики в программируемом межсоединении, обычно ведущую себя как прямоугольный массив с входами и выходами данных, расположенными по краям. eFPGA обычно имеют сотни или тысячи входов и выходов, которые можно подключить к шинам, путям данных, путям управления, GPIO, PHY или любому другому устройству, которое необходимо.

Почему eFPGA привлекают так много внимания? Есть два основных момента. Во-первых, затраты на разработку резко растут с каждым новым поколением процессов. Это обусловлено сложностью самих абстрактных проектов и физической реализацией этих проектов в реальных устройствах SoC, включая такие элементы, как программные инструменты, время разработки и затраты на маску. Во-вторых (и наоборот), стоимость единицы функционала этих устройств снижается. Например, два или три десятилетия назад вентили FPGA были относительно дорогими, поэтому устройства FPGA, как правило, использовались для прототипирования и подготовки к производству, а не для приложений массового производства. Таким образом, предыдущие попытки добавить вентили FPGA в ASIC обычно увеличивали общий размер кристалла и сложность до такой степени, что новые гибридные устройства становились слишком дорогими, чтобы их можно было использовать на практике.

eFPGA в SoC

Высокая стоимость разработки SoC увеличивает риск, связанный с отсутствием продукта, подходящего для удовлетворения конкретных потребностей рынка, в то время как относительно низкая стоимость вентилей FPGA означает, что внедрение технологии FPGA обеспечивает определенную гибкость конструкции (и, следовательно, снижает рыночный риск). это имеет экономический смысл.

В отличие от процесса проектирования автономных FPGA, разработчики eFPGA могут выбрать точное количество ресурсов логики, DSP и памяти, необходимых для приложений своих клиентов. При переходе к крупносерийному производству eFPGA также могут снизить стоимость системы, энергопотребление и пространство на плате за счет отказа от автономных FPGA.

Ⅱ Преимущества eFPGA

По сравнению с FPGA eFPGA обладают следующими преимуществами.

Более высокая производительность : eFPGA подключаются к ASIC через широкий спектр параллельных интерфейсов, обеспечивая тем самым более высокую пропускную способность с задержкой, измеряемой однозначными тактовыми циклами.

Меньшая мощность : на программируемые схемы ввода-вывода приходится половина общего энергопотребления автономной FPGA. eFPGA имеют прямое проводное соединение с SoC, тем самым полностью исключая большие программируемые буферы ввода-вывода. Размер eFPGA можно подобрать точно в соответствии с вашими требованиями, и вы можете настроить методы обработки, чтобы сопоставить производительность и энергопотребление.

Более низкая стоимость системы : eFPGA имеют гораздо меньший размер ядра, чем автономные FPGA, исключая программируемые буферы ввода-вывода, неиспользуемые модули DSP и памяти, а также избыточные LUT и регистры. Традиционные FPGA имеют большое количество выводов и малое расстояние между выводами, поэтому вам необходимо создавать многослойные печатные платы. Встроенные FPGA устраняют необходимость в специальных печатных платах и всех вспомогательных компонентах, таких как стабилизаторы питания, генераторы тактовых импульсов, преобразователи уровней и пассивные компоненты.

Более высокая надежность и производительность системы . Интеграция функций FPGA в ASIC улучшает целостность сигнала на уровне системы и устраняет потери надежности и производительности, связанные с установкой отдельной FPGA на печатную плату.

eFPGA теперь доступны от нескольких поставщиков, различных литейных заводов (TSMC, Lattice, SMIC и Samsung) и технологических узлов (например, 180, 40, 28, 22, 16, 14, 12 и 7 нм).

Ⅲ Игроки в eFPGA

На сегодняшний день концепция eFPGA получила широкое признание в отрасли, и количество компаний в этой области постепенно увеличивается.

ФлексЛогикс

FlexLogix — пионер в области eFPGA, предлагающий решения для создания гибких микросхем и ускорения вывода нейронных сетей. Платформа eFPGA позволяет чипам гибко справляться с меняющимися протоколами, стандартами, алгоритмами и требованиями клиентов, а также позволяет реконфигурировать педали газа, которые могут ускорить критические рабочие нагрузки в 30–100 раз по сравнению с процессорами.

QuickLogic

QuickLogic — признанный поставщик FPGA, специализирующийся на разработке маломощных многоядерных полупроводниковых платформ и интеллектуальной собственности («IP») для обработки искусственного интеллекта («ИИ»), голоса и датчиков. Его основным рынком является рынок SoC со сверхнизким энергопотреблением, такой как Bluetooth, IoT и т. д. Его eFPGA обеспечат возможность настройки этих SoC со сверхнизким энергопотреблением, что приведет к повышению мощности и стоимости. Кроме того, важным моментом является поддержка QuickLogic eFPGA для SMIC, которые известны своей экономической эффективностью.

Мента

Menta — единственный оставшийся поставщик eFPGA в Европе. Это единственный проверенный поставщик программируемой логики в Европе, который может встраивать свою интеллектуальную собственность в клиентские SoC и ASIC. Эта программируемая логика принимает форму встроенного IP FPGA. Он предлагает клиентам возможность взять небольшую часть их SoC и реализовать в ней маломощную FPGA, которую можно запрограммировать ими или заказчиком на местах.

НаноЭксплор

NanoXplore — компания, базирующаяся во Франции. Компания является пионером в разработке крупномасштабных программируемых логических массивов для современных ядер FPGA. NanoXplore предлагает усовершенствованную полупроводниковую FPGA IP на ведущих литейных предприятиях, поддерживающую проверенные технологии до 28 нм. NanoXplore также разработала инновационную технологию диагностики электронных устройств под названием Silicon Rating.

АДИКСИС

ADICSYS — это компания по производству полупроводников , которая разрабатывает и лицензирует программные FPGA IP для ASIC и SOC. Эти программируемые ядра можно легко и полностью интегрировать в процесс проектирования RTL пользователя. ADICSYS опирается на более чем десятилетний опыт разработки индивидуальных проектов FPGA и eFPGA, а также ведущих полупроводниковых продуктов. Как и в случае с другими IP, уникальная возможность включить функциональность FPGA в ASIC обеспечивает гибкость, необходимую для изменения функциональности без изменения конструкции чипа или позволяет устройству соответствовать широкому спектру требований приложений. В обоих случаях возможен лучший контроль над NRE и TTM.

Эфиникс

Efinix — новатор в области программируемых платформ и технологий. Программируемая технология Quantum компании позволяет создавать передовые программируемые микросхемы в области ASIC, ASSP и FPGA. Благодаря преимуществу Quantum в области мощности и производительности продукты Efinix удовлетворяют потребности крупносерийных продуктов с низким энергопотреблением и малым форм-фактором. Совместная деятельность efinix по разработке, ориентированная на инфраструктуру, центры обработки данных и передовые полупроводниковые процессы, еще больше укрепит лидирующие позиции компании в отрасли программируемого оборудования.

Эти стартапы eFPGA выросли в геометрической прогрессии в эпоху, когда стартапов по производству полупроводников было мало. Такие компании, как Flex Logix и Menta, получили ряд инвестиций, а другие, такие как Achronix и QuickLogic, вложили значительные средства в eFPGA, основываясь на ожиданиях внутреннего роста.

Ⅳ Часто задаваемые вопросы о eFPGA

1. Могут ли eFPGA работать на частоте, необходимой для моей конструкции?

По сравнению с ASIC, большинство конструкций FPGA не работают на той же частоте. На самом деле ПЛИС не выигрывают с высокими тактовыми частотами. Высокая производительность FPGA в основном достигается за счет чрезвычайно высоких возможностей аппаратной параллельной обработки, глубокой конвейеризации и шин с высокой разрядностью.

Встроенные FPGA, или eFPGA, также по своей природе являются программируемыми логическими массивами, поэтому их нельзя сравнивать с ASIC только с точки зрения рабочей частоты.

Однако промышленность и научные круги постоянно ищут способы преодолеть ограничения частоты FPGA. Например, Intel внедрила архитектуру HyperFlex в своем новом поколении высокопроизводительных продуктов FPGA Stratix10, который вводит несколько массивов регистров между программируемыми логическими ячейками и может увеличить скорость работы FPGA в 1,5–2 раза.

Программируемый логический блок содержит несколько массивов регистров.

Многие сценарии приложений имеют высокую устойчивость к ошибкам, поэтому простой «разгон» FPGA может значительно улучшить производительность FPGA за счет очень небольшой вероятности потери точности.

2. Будет ли энергопотребление eFPGA слишком большим?

Ответ на этот вопрос должен быть отрицательным. Мало того, плотность мощности eFPGA обычно намного ниже, чем у FPGA или других IP на ASIC и SoC.

Для традиционных FPGA одним из основных «потребителей энергии» является программируемая часть ввода-вывода FPGA. eFPGA напрямую подключается к другому IP-адресу ASIC через внутрикристальную шину, что напрямую удаляет часть ввода-вывода исходной FPGA, тем самым сокращая большую часть энергопотребления.

С другой стороны, как упоминалось в предыдущем вопросе, частота eFPGA намного ниже, чем у других IP на ASIC или SoC, что делает динамическое энергопотребление eFPGA относительно низким.

3. Могут ли eFPGA обеспечить достаточную пропускную способность для моего проекта?

Для традиционных конструкций FPGA производительность системы во многих случаях напрямую ограничивается количеством выводов ввода-вывода на кристалле FPGA. Особенно для многих коммуникационных, сетевых и высокопроизводительных вычислительных приложений микросхемы FPGA необходимы для обеспечения большого количества высокопроизводительных приемопередатчиков SerDes и выводов ввода-вывода общего назначения для обмена данными и их передачи во внешние системы, которые обычно ограничены Технология упаковки чипсов.

Напротив, eFPGA не имеет ограничений по количеству контактов, поскольку по сути представляет собой IP-ядро, интегрированное в ASIC. Таким образом, пропускная способность связи между eFPGA и ASIC или SoC может быть увеличена более чем в 10 раз по сравнению с FPGA. Фактически, это один из основных движущих факторов создания и использования eFPGA.

еFPGA

Вместо соединений между чипами eFPGA обмениваются данными напрямую через соединения различных IP-адресов на чипе, что значительно улучшает пропускную способность связи и уменьшает задержку связи.

4. Использование eFPGA приведет к увеличению площади чипа?

Инженеры ASIC или SoC обычно шокируются размером чипов FPGA, когда впервые видят FPGA, потому что обычно чипы FPGA слишком велики.

Вообще говоря, половина основной области кристалла FPGA — это программируемый логический блок, а другая половина — программируемый ввод-вывод и связанные с ним схемы. Программируемый ввод-вывод — это одно из преимуществ FPGA, которое позволяет им взаимодействовать практически с любым другим чипом или системой, включая микропроцессоры, ASIC, память и другие FPGA. Вот почему площадь микросхемы программируемой секции ввода-вывода такая большая.

По сравнению с FPGA, eFPGA не нуждаются в реализации программируемой секции ввода-вывода, поскольку IP-адрес ASIC, который взаимодействует с eFPGA, фиксируется во время разработки. Когда программируемая часть ввода-вывода удаляется, площадь кристалла eFPGA значительно уменьшается при той же логической плотности, что и FPGA.

5. Будет ли стоимость использования eFPGA высокой?

По словам Стива Менсора, вице-президента по маркетингу компании Achronix, одного из ведущих поставщиков eFPGA, стоимость использования eFPGA «не дороже, чем у других IP».

Стоимость использования следует рассматривать с двух точек зрения. Первый — это прямые денежные затраты пользователя, т. е. деньги, уплаченные за чип или IP. Другой — это разнообразие функций, которые может предоставить купленный IP, то есть затраты на реализацию определенной функции распределяются. Для FPGA или eFPGA их наиболее мощной функцией является возможность реализации различной пользовательской логики и изменения функциональной логики после передачи чипа, что значительно снижает риск разработки SoC и ASIC и повышает гибкость конструкции.