eFPGA中LUT数量将超越FPGA

FPGA已经成长为一项战略性技术。它曾被视为“穷人的ASIC”，且能够为小批量应用提供定制化IC。如今，当其仍然以这种方式广泛用在许多系统中的同时，在两个巨大且高成长的市场应用中已具有战略重要性：

·云端数据中心：网络连接﹑储存和安全性。

·通讯系统：基站和5G等。

事实上，由于FPGA对数据中心所具备的战略性意义，使得Intel最近收购了Altera，AMD最近也买下了Xilinx。这是因为在许多情况下，处理器的工作负荷正被移转到FPGA上。

大量利用FPGA的数据中心，能够提供处理器所无法实现的并行可编程能力(有客户称其为＂硬件速度的可编程＂)。这些FPGA与具有特定功能的IC搭配，例如网络接口控制器 (NIC)和网络交换机芯片。每个数据中心有不同的工作负荷，藉由一个标准化的产品来满足所有需求是行不通的，因为每个数据中心都有不同的、使其需求最佳化的容量和建设成本。

通讯系统长期以来都利用FPGA来处理数以百计的法定频段和协议。如今在5G环境中，FPGA被用来管理复杂性和诸如O-RAN等持续变化中的标准。

尽管如前所述，FPGA的可编程很有价值，但其功耗和尺寸却不尽人意。结果，如今的数据中心和通信公司都欲将他们的FPGA整合到其SoC中，以减少尺寸和功耗。

FPGA行业整合已经开始

近十年来，例如Achronix、Flex Logix和Menta等公司，已经具备提供嵌入式FPGA(eFPGA)产品的能力。eFPGA现在可以在180nm到70nm的工艺节点上制造，产能从1K LUT到100K LUT，上限即将迈向1M LUT。也可以选用DSP和内存块-RAM。下列是一些有关采用eFPGA的历史，它们现在已经遍布整个行业。

第一个宣布成功使用eFPGA的客户是Sandia National Labs，在新墨西哥州的180 nm工艺上实现了这个目标。从此之后，他们利用eFPGA制造了许多ASIC芯片。

接下来，波音、美国空军研究实验室 (AFRL)、微软、BAE和许多其他政府机构与外包业者，也开始在美国制造的防卫系统中密集使用eFPGA。因此，对国防部和能源部而言，eFPGA现在已经是一个成熟的技术。

宸芯科技有限公司(大唐电信的一个子公司)，宣称将把eFPGA用于FinFet ASIC，以供车对车(car-to-car)通信之用。

Dialog发布了eFPGA的ForgeFPGA产品系列，从1K LUT、批量成本低于50美分开始，且功耗仅有几毫瓦。

Flex Logix将eFPGA用在16nm AI推理芯片上，性能超过500 MHz，随着时间的推移和软件的增强，性能可以提升到667MHz和800MHz。

Socionext正在和一个重要系统厂商开发7nm SoC芯片，通过利用eFPGA和100K LUT的可编程逻辑电路，使得芯片在最坏的情况下，还能够有超过500 MHz的表现。这是一款5G应用与首款嵌入大量LUT的大容量通信芯片。

除了上述之外，有很多客户正在利用尚未公开的eFPGA。随着人们对技术认知的增加、以及领导厂商正利用eFPGA在其市场上取得显著的优势，客户采用eFPGA的步伐正在加速中，

集成FPGA能夠实现更多的软件控制

FPGA有一些显著的优势，但是编程设计不太容易，而且与处理器编程员相比，合格的FPGA程序员的人数并不多。

为什么FPGA不容易进行程序设计呢？

比起C++，Verilog更像是汇编语言的一种低级程序语言。

对传统的程序员而言，平行程序设计是很难以理解和学习的。

FPGA被编程设计成一个巨大的代码”块”。而处理器编程中包含有被程序员视为理所当然的子程序、主程序、链接器和加载程序、分页等等，但这些在FPGA编程中都无法使用。

单元FPGA编程可以在几秒内完成，并会永久驻留在硬件中，但对于整个FPGA来说，通常都必须进行重新编程。有一些部分单元程序速度很慢，在运行时，其他所有操作都会暂停。而在处理器代码中，当主程序运行时，分页程序却能不间断地在缓存中进行数据交换。

eFPGA则为人们提供了一个重新思考编程策略的机会，节约稀缺的Verilog编译器资源，并使C++编译器能够对FPGA进行软件控制。

以下是执行此方法的基本概念：

1.将代码封装/模块化成子程序。

将FPGA分割成更小的模块或容器(container)，并为每个模块或容器提供对DRAM内存和处理器的直接访问。

eFPGA已经可以利用小方块式的模块化建构方法，如果需要，这些方块可以利用每排之间的RAM块(BRAM)相扣在一起。

这么一来很容易增加一个系统的相互连接/NOC/AXI总线，并让每个FPGA模块/容器能够访问內存/处理器。

于是写入FPGA的代码就能够像一个容器里面所包含的子程序一样地运作；可以给它提供输入数据或是指向系统內存数据的一些指针；在FPGA执行之后；可以将结果提供作为输出数据或是指向系统內存数据的指针。

利用稀少的Verilog编译器来写入那些需要密集运算的”子程序“，然后让C++编译器在处理器上写入代码，在需要的时候调用那些子程序。

2.允许容器／模块大小可变

把一个FPGA分割成更小的模块或容器，能够允许它们直接访问DRAM存储器和处理器。

有些算法比较简化，使用的LUT较少，而有些用的LUT较多。

举例来说，使用Flex Logix的Flex interconnect fabric，可以使容器具有任意大小的矩形尺寸，甚至可以扩大到整个阵列。

3.支持容器的微秒级分页

FPGA总是可以在几秒钟内从闪存中编程——速度确实非常慢，但编程通常很少这么做：在启动时或需要升级时才会这么做，比如对iPhone进行升级。

然而，eFPGA已经在领先的AI推理处理器中以百万分之一秒的速度重新编程。这的确是需要的，因为推理加速器处理一个神经网络层，需要进行数十亿次计算，然后在接下来的i<10微秒内重新配置并重新启动运算。

这种微秒级的重新配置可应用于上述阵列中的容器/模块。

在重新配置容器时，其余容器继续全速运行。

这使得eFPGA可以像处理器一样进行分页。

控制FPGA

我们已经看到了行业从简单的ALU发展到处理器、再到微处理器、再到并行处理器、然后再到SOC(包括内核和加速器)的转变。如今，我们有了可重新配置的SOC，可以更好地利用系统中的大量内核。

eFPGA将使数据中心和通信用户能够继续受益于FPGA的并行编程能力，同时降低功耗、缩小尺寸，并通过对FPGA进行软件控制，提高生产率和缩短上市时间。出于所有这些原因，eFPGA利用计算架构中的范式转变，既通过集成提高了每机架的计算密度，也允许更庞大的C++程序员队伍能够分享eFPGA的优势。基于这些原因，eFPGA集成将加速，在本年代末，集成到SOC中LUT数量将会超过FPGA。

—Geoff Tate是Flex Logix的首席执行官

(参考原文：eFPGA LUTs Will Outship FPGA LUTs Later This Decade ）

本文为《电子工程专辑》2022年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订