【原】大咖说|嵌入式现场可编程门阵列（eFPGA）将稳步加速进入应用

2017年2月3日的公号文章写道，美国国防先期研究计划局（DARPA）与嵌入式现场可编程门阵列（eFPGA）知识产权（IP）初创公司Flex Logix Technologies就其EFLX eFPGA IP签署许可协议，基于后者IP并由中国台湾台积电（TSMC）公司生产的器件可用于美军武器装备（详细内容移步于此）。今天听听大咖们对eFPGA怎么看。

芯片和系统设计正向高度异质集成方向发展，eFPGA将在越来越多的重要功能中获得应用，所获关注度也在不断增加。

概述

在很长一段时间内，FPGA都被归类为测试芯片，这些芯片如果有足够的量，最终将被低功耗、高性能专用集成电路（ASIC）所替代。但该可编程器件正在“食物链”上稳步移动，从‘粘和逻辑’到协同处理器，已被用于很多高性能、重要任务所应用，从数据中心到超级计算机。

用途

现在他们已嵌入到CPU旁的器件中，作为一个减少主处理器群工作负载的方式，使用同样的总线结构进行预处理或后处理。eFPGA同样可用于网络加速，在开关或CPU架构必须决定这些信息的用途前，执行分组处理、深度包检测、编码/压缩或其他类型的封包处理。在无线部分，eFPGA作为数字前端使用，在功率放大器和射频卡之间、或在通信链路中执行线性化、预矫正和其他任务。

发展需求

因为这些器件可编程，他们能够用于优化系统——正如其过去所做的。移动基站已依赖于FPGA多年，主要因为数量少、功耗要求不严格、价格亦不似消费类电子或移动器件中那样重要。“但是”，OneSpin解决方案的市场副总裁Dave Kelf说：“他们想要重新构造FPGA，因为新情况事实上正在发生。

在一些时候，基站提供商感兴趣于eFPGA，因为处理器需要处理返回协议，以及使用大量固定功能来进行调制和纠错。Kelf说：“这是一个固定功能，需要以非常有效率、非常快的速度执行，这样就交由ASIC来处理使得工作尽可能地快完成，但也有时候会用到不同的调制方式，如果电路能够根据需要进行改变就好了”。

eFPGA优势

Synopsys公司的高级产品市场经理Joe Mallett说，可嵌入到其他芯片中的嵌入式芯片开始于1990年，并不是新概念，如美国赛灵思（Xilinx）公司在FPGA中嵌入了PowerPC处理器，阿尔特拉（Altera）和赛灵思都在其FPGA中嵌入了ARM处理器。

发生改变的是FPGA专用系统级芯片（SoC）功能，这部分包括多个处理器和缓存，以及加固的接口，接口还有少部分SoC功能，而不仅仅是嵌入式处理。Mallett说：“当在FPGA中嵌入SoC功能，就简化了电路板设计，减少了物料清单上的器件，这样就不再需要一个微处理器来启动FPGA，使得每一件事情都可以运转起来”。

Achronix市场部副总裁Steve Mensor说：eFPGA同样带来功耗和成本优势。“该方法不会增加ASIC的尺寸，但同时避免了使用非常昂贵的FPGA器件，减少了电路板区域，避免了很多外围器件，节约了大量成本，还将功耗减少了一半”。

Mensor表示：“当你进行芯片到芯片通信，无论是从FPGA到ASIC，还是任何芯片到芯片，特别是在高带宽应用中，需要经过一些高速通道。这种延迟不会减缓最大处理速度，但因为有来回的交互，会降低整个系统的性能。如果你能够减少这种延迟，将对系统性能带来巨大提升。就eFPGA本身而言，这非常类似于ASIC中有限的带宽。在这里，因为FPGA是ASIC内的线到线连接，FPGA的功能有最大一个时钟周期的延迟。如果希望使用外围寄存器，且打算直接进入逻辑部分将是零时钟周期”。如果考虑带宽，那还要考虑效益。“尤其是FPGA，因为布线问题，芯片上的总吞吐量越多，芯片越贵。如果需要放置更多的管脚，芯片面积越大，封装尺寸也越大”。

Mallett表示同意，“看到的eFPGA第一眼是它简化了BOM和减少了成本。eFPGA还可同样在先进技术上实现，如28nm及更小尺寸，因此获得低工艺节点所能提供的性能和低功耗优势。传统由FPGA实现的很多通用功能也都可以放在eFPGA中，作为SoC的一部分；还可在FPGA中加入可能在系统中用到的其他功能”。

eFPGA的另一个独特特性是他们与微处理器的紧密结合。Mallett说：“他们并不是通过一个高速接口耦合，这样如果你采用软硬协同的方式，性能会更好，而FPGA的微缩意味着它能够适用于特殊的应用。”

应用观念改变

所有的这些听起来已足够直接，使用FPGA的理念也已经显著改变。

NetSpeed Systems公司市场和商业发展部门副总裁Anush Mohandass说：“FPGA过去是二等公民，最酷的事情——即与性能相关的处理任务都由CPU或ASIC或SoC来完成，只将一些小任务给了FPGA。‘加速器用缓存相干互连’（CCIX）倡议使其成为一等公民。它现在能够读取同样的存储器，可以获得主处理器相同的信息。微软等公司已经指出，通过将工作交给FPGA来加速处理，以及他们是如何进行处理的。（微软实验室在Hotchips 2014年发布了一篇文章，详细说明通过将工作交由FPGA进行处理，带来了近20%的功耗节省及性能提升）。他说，这唤起了新的认知，FPGA完成新的工作，实现芯片到芯片的互连，以及连接到主处理器。http://www./

 

图为CCIX协议示意图

Mohandass说：“eFPGA将其再提升一层，这就是很多数据中心提供商正在做的事情，如Facebook、阿里巴巴、亚马逊等。他们的软件发展非常迅速。不断出现新的算法。他们希望能够加速搜索，或者加快他们获得一个购买列表的速度。且这种算法在以一个月或三个月节奏在变化。如果你希望为这做一个硬件芯片，将花费三年的时间，当芯片到手的时候，算法已经过时了。一个eFPGA允许一个FPGA可以嵌入到系统级芯片中，所有他们需要改变的就是那个区域。这是软件可编程硬件，你能够获得ASIC或SoC的其他好处，并获得可编程性”。

验证挑战

美国Cadence公司系统和验证组产品管理高级组长Frank Schirrmeister说，当谈到eFPGA验证挑战时，这有几个显著的验证挑战。“第一个是当你在制造它的时候你如何验证芯片，这真正是一个奇异问题。对于使用带有eFPGA的芯片的用户而言，同样存在一个验证挑战。如果一个芯片所具有的eFPGA类似于赛灵思的Zynq，他们有相当完备的验证流，如包括代表处理器子系统的部分，用于软件研发的一个软件试图。验证挑战真正来自于你为现有系统增加的东西。”

而且，归根结底，对于规模优化的存储器和性能，通过评估来决定是否要在软件中增加功能，或者增加特定的加速器。Schirrmeister表示：“可以说，当你有一个eFPGA，有趣的事是用户能够真正地试一试。在ASIC世界中，每一件事都是最终你留片的结果。但是在eFPGA世界中，你真正需要知道如何将功能移入/移出硬件来提升性能”。