嵌入式FPGA：过去、现在及未来

嵌入式现场可编程逻辑栅阵列(eFPGA)的大量应用，宣示着它的时代终于到来。搭载此技术的芯片被应用在无线基础设施、人工智能(AI)、智能存储器，甚至是成本敏感微控制器上。它和中央处理器(CPU)与数字信号处理器(DSP)一样是系统单芯片(SoC)，而且无论是在使用1,000个还是500,000个查找表(LUT)的硬件中，都能动态地重新配置硬件逻辑。

为了更加了解这项兴崛起中的编程技术，EDN访问了Flex Logix Technologies的IP业务、行销及解决方案架构副总裁Andy Jaros。Flex Logix是一家在2014年成立的IP公司，它们标榜能提供高密度FPGA结构，用于促进逻辑可重编程性，让设计工程师免于繁重业务。

在访谈的一开始，我们向Jaros请教了这项科技的起源。Jaros是半导体产业的老手，职场经验囊括了安谋(ARM)、摩托罗拉(Motorola)、ARC，以及新思科技(Synopsys)。

发展史︰不算太快

eFPGA的曲折历程要由1990年代说起。长久以来，半导体业界一直试图在ASIC中结合LUT以增加其灵活性。但是，它并不像FPGA一样拥有可靠的工具链，因此缺乏工具一直是在芯片中使用eFPGA IP的绊脚石。

Jaros回忆起在这几十年来，一直都有人宣称做出了eFPGA结构。他说︰”有些老半导体厂的人说，他们早在二、三十年前就做出来了，但他们建设eFPGA的方式其实占了很大的空间。”

传统的FPGA使用的是网络互连(mesh interconnect)，且互连在FPGA中占了80%的空间。Flex Logix共同创办人王成(Cheng Wang)开发了一种阶层式的互连(hierarchal interconnect)，所占空间只需要网络互连的一半。这大大提升了空间及成本效益。身为eFPGA IP的供应商，Flex Logix表示其互连方式可达90%的利用率，而离散式FPGA使用的网络互连只有70%的利用率。

图1 ︰ eFPGA可轻易地在不同大小的汇流排上最佳化。(来源︰ Flex Logix)

现况︰生意兴隆

eFPGA技术的用途十分广泛，因为它能支援的对象从小型到大型都有，应用方式非常多元。eFPGA的功能就像现成的FPGA芯片一样，能在几天之内传送任何大小的阵列。Jaros说︰”ASIC公司正大力地拉拢我们，因为将FPGA功能整合在ASIC内能提升性能，并从系统的层次降低电力消耗与成本。”这让设计工程师得以完全抛弃FPGA，或是选用更便宜的FPGA，端看应用的需求。

Jaros也提到，有些传统上使用FPGA的系统公司也跟上了这些ASIC伙伴的脚步，开始探索eFPGA IP。这是因为它们能减少系统厂中间的堆叠量。另外，由于市场需求随时都在快速变迁，诸如汽车OEM和Tier 1供应商等系统厂无法花上一年来研发新的产品特色。”因此，某些暂存器转移层(RTL)的组态比十年前的样子合理得多了。”

同时，有些高端的微控制器(MCU)开始结合硬件加速器，从而为类神经网路AI处理或是专有程式码加速。这些状况多半会用到16,000到20,000个LUT。接着，Jaros发现混合信号公司对eFPGA也有极大的兴趣。他说︰”状态机是唯一会在数位方面改变的东西。因此，混合信号设计师正期待着eFPGA能为状态机多加一层可配置性，而无需再投资于MCU或完整的软件操作流程。”

图2 ︰ Flex Logix的eFPGA主体是EFLX 4K ，它包括两种版本︰全逻辑以及带有乘积累加运算(MAC)的逻辑。(来源︰ Flex Logix)

未来︰与离散式FPGA竞争？

许多人认为eFPGA产业会威胁到独立型FPGA，但英特尔(Intel)和赛灵思(Xilinx)在研发的其实是更复杂的产品。Jaros表示︰”英特尔和赛灵思正朝向范围更大的FPGA转型，以支援超大规模的资料中心，因此他们为其FPGA加上了硬件CPU子系统。我认为eFPGA并不至于影响到Intel和Xilink，因为他们卖的是更大、更贵、功能更多样的FPGA。”

Jaros也补充说明，eFPGA产业的互补性很高。”我们和Intel及Xilinx的人员讨论过，他们完全不认为这两者有冲突。”这也是因为产业部门非常多样化，而其所要求的可重组性各不相同，因此eFPGA公司与传统FPGA公司的冲突应该不大。

图3 ︰ eFPGA IP供应商认为并不会与FPGA公司有所冲突。(来源︰ Flex Logix)

试图自行掌握供应链的公司也是推动eFPGA业务的另一个动力来源。他们可能拥有自家MCU或是ASSP，并依此建立了软件堆叠。因此，如果多了一些eFPGA的可重组性，他们便能更动安全演算法或是专有程式码。

多家供应商都提供了eFPGA IP。相较之下，虽然eFPGA的整合性较高，但在某些特定场合，FPGA的密度比较合用。另外，在处理节点不断微缩的潮流下，eFPGA也愈来愈受到喜爱。Flex Logix已能支援从180纳米到5纳米的处理节点，并正积极参与3纳米的芯片设计。

Jaros如此下结论︰”我们发现人们越来越乐意以少部份空间来换取可配置性，因此，在接下来五到十年内下线的芯片中，一大部份都会含有一定程度的eFPGA成份。”日新月异的标准与独特的AI演算法都支持着这个论述，也暗示着在不远的将来，eFPGA将大有前途。