基于嵌入式FPGA解決標準FPGA資源豐富卻浪費問題的研究

隨著越來越多的智能家電提出了接入互聯(lián)網的需求來進行遠程控制、監(jiān)測或數(shù)據下載，許多公司開始涉足開發(fā)接入互聯(lián)網的嵌入式解決方案，以期能夠應用于種類繁多的信息家電以及非PC設備中。

隨著邏輯資源的豐富和編程工具的改進，F(xiàn)PGA在機器學習和硬件加速上得到越來越多的重視，目前數(shù)據中心已經大量采用，大數(shù)據、云計算領域逐步采用FPGA器件。但是除了這些對計算能力和邏輯資源要求很高的應用，市面上還有很多功能簡單的小型應用，如果采用現(xiàn)有的“大而全”的FPGA產品，不僅價格昂貴，而且資源浪費。于是有人想到了定制化服務，這樣可以讓工程師根據產品需求定制合適的FPGA產品，從而達到節(jié)約成本和功耗的目的，嵌入式FPGA有望解決這一問題。

最近，Achronix為其eFPGA IP解決方案推出Speedcore custom blocks定制單元塊。其市場營銷副總裁Steve Mentor介紹，“Speedcore custom blocks定制單元塊可以大幅度地提升性能、功耗和面積效率，并支持以前在FPGA獨立芯片上無法實現(xiàn)的功能。利用Speedcore custom blocks定制單元塊，客戶可以獲得ASIC級的效率并同時保持FPGA的靈活性，從而帶來了一種可以將功耗和面積降至最低、同時將數(shù)據流通量最大化的高效實現(xiàn)方式。”

通過兩層裁剪讓芯片面積縮小多達6倍

FPGA用戶都指導，標準FPGA不僅包含F(xiàn)PGA內核中的邏輯設計、各種存儲器、DSP以及布線，而且還包含內核以外的可編程I/O、SerDes以及各種接口控制器，這就使得芯片資源豐富，但體積龐大，成本昂貴，因此要實現(xiàn)成本的縮減就要裁掉設計中不必要的資源。Achronix的做法是進行了兩層裁剪：

如圖所示，第一層裁剪將外部的可編程I/O、SerDes以及各種接口控制器進行裁剪，只留下FPGA內核，這樣面積可以縮小50%。

如圖所示，裁剪掉外圍模塊以后，F(xiàn)PGA內核是否可以進一步縮小?那么，先從FPGA內核的結構分析，Steve Mentor指出，“Microsoft在其有關Catapult項目的白皮書中講了一種云規(guī)模的加速架構，包括殼(shell)和應用(Application)，其中shell布局IO及與電路板相關的邏輯電路，應用是核心邏輯，Shell占據了44%的總面積。”

Achronix進行了第二層裁剪，將shell去掉，剩下由用戶定義功能的Fusion Custom Block定制單元塊，包含在Speedcore的可編程結構中。經過這道裁剪，芯片面積縮減高達75%。

如何定義Fusion Custom Block單元塊?

如何實現(xiàn)定義，這是很多用戶最關心的問題。Steve Mentor解釋，“Achroinx使用內部工具來分析客戶的設計，以識別出可以用Fusion Custom Block單元塊開進行優(yōu)化的潛在功能，比如經常使用的重復性功能，從而實現(xiàn)面積縮減、性能提高和功耗降低?，F(xiàn)在，Achronix eFPGA IP產品在添加了Speedcore custom blocks定制單元塊以后，就使其在擁有可編程性的同時還能夠擁有ASIC級的性能以及高片芯面積效率。”

FPGA設計中開發(fā)工具很關鍵，Achronix也提供了ACE設計工具，可以全面支持Speedcore custom blocks定制單元塊，可以與存儲器和DSP單元塊相同的方式，提供從設計捕獲到比特流生產和系統(tǒng)調試等功能。

Achronix為每個Speedcore custom blocks定制單元塊創(chuàng)建了一種獨有圖形化用戶接口(GUI)，它可以管理所有的配置規(guī)則。ACE擁有Speedcore custom blocks定制單元塊所有配置的完整的時序細節(jié)，支持ACE去完成各種設計基于時序的布局和布線?？蛻艨梢杂脧姶蟮陌鎴D規(guī)劃器來優(yōu)化設計，并為所有的單元實例去制定局域或者定點的任務安排。ACE還包括一個關鍵路徑分析工具，它可以支持客戶去分析時序。客戶還可以使用ACE強大的Snapshot嵌入式邏輯分析儀，去創(chuàng)建復雜的觸發(fā)器并展示Speedcore內的實時信號。

eFPGA既然如此靈活，那么它是否會在未來代替FPGA?Steve Mentor表示，“目前來看，標準FPGA的市場占有率大概是80%，eFPGA是20%，復雜應用的客戶中有人愿意在ASIC設計中加入eFPGA，簡單應用的客戶有些愿意用eFPGA來代替標準FPGA完成設計，但是兩者針對的客戶群不同，會長期共存。”

“正是eFPGA的市場需求旺盛，Achronix在2017年實現(xiàn)了強勁的銷售收入及業(yè)務增長，預計銷售將超過1億美元。與TSMC和做的16nm產品已經量產，7nm產品預計在2018年上半年完成測試芯片和首批設計。” Steve Mentor補充。