在不就的未來，嵌入式 FPGA 編程只需簡(jiǎn)單一步即可完成

我們都知道，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。嵌入式 FPGA 將不再是夢(mèng)想。根據(jù) Achronix，未來，芯片設(shè)計(jì)者只要簡(jiǎn)單地將線對(duì)線互連加進(jìn)其 SoC 設(shè)計(jì)即可。

Achronix Semiconductor 營(yíng)銷副總裁 Steve Mensor 表示，這款被稱為 Speedcore 的嵌入式 FPGA (eFPGA) IP 產(chǎn)品目前已經(jīng)就緒且正出貨中。盡管并未透露出貨數(shù)字以及客戶名稱，該公司表示這款產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)提供給客戶使用了。

Speedcore 象征著該公司首次進(jìn)軍 IP 業(yè)務(wù)。Achronix 自 2013 年以來一直在生產(chǎn)其旗艦級(jí) FPGA 產(chǎn)品——Speedster 22i。因此，對(duì)于 Achronix 來說，這是一條漫長(zhǎng)的道路，因?yàn)樵摴驹?4 年以前才首次宣布開發(fā) eFPGA IP 的計(jì)劃。

盡管如此，Achronix 在此看到了一線曙光，預(yù)計(jì)今年可望首次盈利，營(yíng)收上看 1,200 萬美元。根據(jù) Mensor 表示，該公司預(yù)計(jì)其銷售額將在 2017 年成長(zhǎng)超過 4,000 萬美元，進(jìn)一步使 eFPGA IP 業(yè)務(wù)成為帶動(dòng) Achronix 成長(zhǎng)的“重要驅(qū)動(dòng)力”。

設(shè)計(jì)工具

Speedcore 采用與 Achronix Speedster 22i FPGA 相同的高性能架構(gòu)。專為運(yùn)算和網(wǎng)絡(luò)加速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 Speedcore eFPGA IP 將整合至其他公司的 ASIC，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、無線基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

Mensor 認(rèn)為，eFPGA 的最大優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)計(jì)工具。多年來，Achronix 了解到客戶需要更好的設(shè)計(jì)工具，為其帶來優(yōu)質(zhì)的結(jié)果、簡(jiǎn)單易用性以及第三方整合，而這些特點(diǎn)都是“Achronix CAD 環(huán)境”(ACE)所能提供的一部份。

為了成為系統(tǒng)的一部份，eFPGA IP 必須具備易于整合于 SoC 的功能設(shè)計(jì)。Achronix 提供了可讓客戶直接整合于其 SoC 的 GDS II 版 Speedcore IP，以及可讓客戶用于設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與編程 Speedcore eFPGA 功能的 ACE 工具客制版。

CPU 投片?

整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)都知道 FPGA 極其熱門。只要看看微軟(Microsoft)的 Project Catapult 就知道了。

微軟解釋，這項(xiàng)計(jì)劃是專為“加速微軟在網(wǎng)絡(luò)、安全、云端服務(wù)和人工智能(AI)等方面的超級(jí)運(yùn)算基礎(chǔ)”而打造的，并作為其于“后 CPU”(post-CPU)的各種技術(shù)——包括 GPU、FPGA 與 ASIC 的最大睹注。

微軟這項(xiàng) Project Catapult 的關(guān)鍵就在于 Altera Stratix V D5 FPGA。Mensor 強(qiáng)調(diào)，整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)普遍存在的看法是，微軟的計(jì)劃促成了英特爾(Intel)決定收購(gòu) Altera。

藉由 AlphaGo，Googler 的客制 Tensor 處理器單元也激勵(lì)了許多工程師，促使他們開始考慮從 ASIC 到 GPU 和 DSP 的一切。Mensor 解釋說，他們正在尋找能夠更有效率處理“加速非結(jié)構(gòu)性搜尋、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能”的技術(shù)。

Achronix 在其中看到了機(jī)會(huì)。

FPGA 應(yīng)用領(lǐng)域以及成長(zhǎng)階段

FPGA 從 1990 年代中期作為“膠合芯片”(glue chip)開始流行于市場(chǎng)上，如今正重新定義其價(jià)值，成為 CPU 的協(xié)同處理器。在這個(gè)角色上，F(xiàn)PGA 可加速加密 / 解密、壓縮 / 解壓縮，或甚至是預(yù)處理資料封包，以便只讓有關(guān)的共享資料可被傳送與進(jìn)行處理。

當(dāng)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化搜尋時(shí)，F(xiàn)PGA 的平行環(huán)境經(jīng)證實(shí)是十分有效的。例如，相較于專為劃分功能成為較小部份以及依順序作業(yè)而設(shè)計(jì)的 CPU 而言，F(xiàn)PGA 能以平行方式，在單一頻率周期完成整個(gè)任務(wù)。

當(dāng)無線基礎(chǔ)設(shè)施必須涵蓋多個(gè)地理區(qū)時(shí)，F(xiàn)PGA 是可編程數(shù)位前端和地理區(qū)客制化的一張備用王牌。

在芯片之間布線

盡管在 SoC 中嵌入 FPGA 總能為設(shè)計(jì)者帶來不錯(cuò)的設(shè)計(jì)想法，但對(duì)于 FPGA 供應(yīng)商而言，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望并不容易。

“在不同芯片之間布線是非常困難的，”Mensor 說。成功整合 eFPGA IP 的關(guān)鍵在于盡可能降低延遲并提高吞吐量。該公司強(qiáng)調(diào)，Achronix 最先提供了具有嵌入式系統(tǒng)級(jí) IP 的高密度 FPGA。

對(duì)于“希望將 ASIC 設(shè)計(jì)的所有效率以及 eFPGA 可編程硬件加速器的靈活性結(jié)合于同一芯片”的公司，Achronix 為其提供相同的 eFPGA 技術(shù)。

而對(duì)于 IP 供貨商而言，整合極具挑戰(zhàn)之處在于客戶對(duì)于特定應(yīng)用所要求的優(yōu)化芯片尺寸、功耗與資源分配總有不同的想法與方法。他們還自行定義了查找表數(shù)目、嵌入式內(nèi)存模塊女以及 DSP 模塊的數(shù)量。

但問題并不一定是客戶的不同建置方式，而是他們經(jīng)常使用不同的方法進(jìn)行芯片測(cè)試與驗(yàn)證。Mensor 解釋，客戶并不知道 IP 供貨商的工具如何與其搭配作業(yè)。例如，“我們經(jīng)常聽到客戶問：‘如何才能用你們的 IP 關(guān)閉計(jì)時(shí)功能?’”

雖然 Achronix 并未為客戶整合其 IP，其業(yè)務(wù)取決于所提供的工具是否足以讓客戶快速完成設(shè)計(jì)

Achronix NT31P1 Achronix 也向外收購(gòu)了一些第三方 IP，包括接口協(xié)議、可編程 IO、SerDes 和 PLL 等。那么在開發(fā) FPGA 和滿足客戶需求時(shí)，Achronix 是否遇到困難?Mensor 說：“我們總會(huì)試著把遇到的每個(gè)問題都轉(zhuǎn)化為一次機(jī)會(huì)。”

對(duì)于 Achronix 來說，其關(guān)鍵在于整合該公司的 FPGA 架構(gòu)。最終的結(jié)果是一款更精簡(jiǎn)的 Speedster 22i，其可編程 IO、SerDes 和接口控制器占用的空間更少，相形之下，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的高階 FPGA 通常使用了大約 50%的芯片面積。

Achronix NT31P2 FPGA 芯片尺寸比較

提高延遲和傳輸速率

Achronix 認(rèn)為，能夠與 SoC 實(shí)現(xiàn)線對(duì)線連接的 Speedcore eFPGA，有助于消除大量的可編程 IO 緩沖器，從而使功耗降低一半。此外，Speedcore 的芯片尺寸也比標(biāo)準(zhǔn) FPGA 更小，使得 eFPGA 的成本可降低 90%以上。

然而，Mensor 強(qiáng)調(diào)，“對(duì)于大多數(shù)客戶而言，最大的決定因素在于延遲和吞吐量方面的問題。”根據(jù) Achronix，相較于獨(dú)立的 FPGA，eFPGA 具有更高的接口性能，可望提高 10 倍的吞吐量和延遲性能。