Технология встроенных FPGA (eFPGA): прошлое настоящее и будущее

Аннотация

Наконец-то пришло время для встроенных ПЛИС (eFPGA), и это видно по тому, как они используются в разработках, обслуживающих беспроводную инфраструктуру, системы искусственного интеллекта (ИИ), умные хранилища данных и даже приложения, где ключевую роль играет стоимость конечного изделия. Точно так же, как процессор или DSP, eFPGA могут быть частью системы на кристалле (SoC), которая  динамически реконфигурируется, имея для этого аппаратную логику размером от 1000 до 500 000 таблиц истинности (LUT - look-up table).

Чтобы получить представление об этой технологии (eFPGA), портал EDN провёл беседу с Энди Яросом, вице-президентом по продажам IP, маркетингу и архитектуре решений в Flex Logix Technologies. Flex Logix, основанная в 2014 году как IP-компания, разрабатывает встраиваемые ПЛИС (FPGA как IP, т.е. eFPGA) высокой плотности.

Мы начали интервью с того, что спросили Яроса об истоках этой технологии. Ярос - ветеран полупроводниковой промышленности, карьерный путь которого простирается от Arm и ARC до Motorola и Synopsys.

История: Не так быстро

История eFPGA восходит к 1990-м годам. В полупроводниковой отрасли уже давно говорят о включении логики (LUT) в ASIC, чтобы дать микросхемам дополнительную гибкость. Однако, в отличие от ПЛИС, которые поставляются с хорошим набором сред разработки (IDE), нехватка последних была основным камнем преткновения для внедрения встроенных ПЛИС в чипы.

Ярос вспоминает, что на протяжении десятилетий поступали заявления о создании eFPGA. “Некоторые сотрудники старых полупроводниковых компаний говорят, что они делали это примерно 20-30 лет назад, но то, как они внедряли встроенные ПЛИС, занимало большую часть кристалла разрабатываемой микросхемы".

Традиционные ПЛИС используют сетчатое межсоединение, и 80 % площади в ПЛИС занимают интерконнекты. Сооснователь Flex Logic Чен Ван разработал иерархическое соединение, которое занимает вдвое меньшую площадь по сравнению с сетчатым соединением. Это, в свою очередь, обеспечивает значительные преимущества по площади и затратам. Поставщик IP eFPGA также утверждает, что его архитектура межсоединений достигает 90 % выигрыша в занимаемой площади; с другой стороны, при использовании межсоединений типа mesh в дискретных ПЛИС мы видим почти 70 % выигрыш.

Рисунок 1 eFPGA можно легко оптимизировать для различных размеров шины. Источник: Flex Logix 

Настоящее: Бизнес идет хорошо

Технология eFPGA очень универсальна, поскольку она может быть встроена  как в виде маленького ядра (инстанса или экземпляра), так и в варианте большого исполнения в зависимости от конечного приложения. eFPGA, которая работает как готовый чип FPGA, может быть встроена в разрабатываемую микросхему в течение нескольких дней.

“Мы получаем большую поддержку от компаний-разработчиков ASIC”, - сказал Ярос. “Интеграция функций FPGA в ASIC повышает производительность, снижает энергопотребление и стоимость на системном уровне”. Это позволяет инженерам-проектировщикам полностью отказаться от ПЛИС или использовать менее дорогую ПЛИС, в зависимости от требований конечного приложения.

Ярос также отметил, что компании, производящие комплексные решения, традиционно использовавшие ПЛИС, начинают изучать технологию eFPGA вместе со своими партнерами, производящими ASIC. В то время, как требования рынка быстро меняются, системные производители, такие как производители автомобилей и tier 1, не могут ждать год, чтобы добавить новые функции, т.е. не могут ждать выхода ASIC, выполняющих конкретную задачу. “Поэтому сегодня, гибкость, которую дает реконфигурируемость eFPGA имеет намного больше смысла, чем 10 лет назад”.

Мы плавно перешли к микроконтроллерам более высокого класса, в которых уже начинают появляться  аппаратные ускорители, будь-то для обработки нейронной сети или для ускорения проприетарного кода. В этих сценариях обычно используется от 16 000 до 20 000 LUT. Далее, Ярос видит больший интерес со стороны компаний, которые разрабатывают аналогово-цифровые или цифро-аналоговые изделия. “Единственное, что меняется на цифровой стороне, - это алгоритм обработки”, - сказал Ярос. “Итак, разработчики изделий со смешанными сигналами рассматривают eFPGAs с точки зрения того, чтобы добавить уровень конфигурируемости для алгоритмов обработки  без необходимости инвестировать в MCU и необходимый для него набор программных средств”.

Рисунок 2 eFPGA Flex Logix основана на EFLX 4K, секция, которая поставляется в двух версиях: полностью логическая или в основном логическая с несколькими умножителями (MAC). Источник: Flex Logix 

Будущее: Конкуренция с дискретными ПЛИС

Бытует мнение, что бизнес eFPGA будет представлять угрозу для сегмента автономных ПЛИС. Однако то, что делают Intel и Xilinx, - это достаточно сложные законченные продукты. “Intel и Xilinx переходят на уровень более широкого видения использования FPGA, например, для поддержки гипермасштабируемых центров обработки данных, для чего они добавляют специализированные аппаратные подсистемы внутри своих ПЛИС”, - сказал Ярос. “Я не вижу того, как eFPGA сможет повлиять на бизнес Intel и Xilinx, поскольку они продают большие, дорогие ПЛИС с большим функционалом”.

Он добавил, что бизнес eFPGA очень комплементарен. “Мы поговорили с сотрудниками Xilinx и Intel, и они вообще не видят никаких конфликтов”. Это также связано с тем, что требования к реконфигурируемости охватывают очень широкий спектр отраслевых сегментов, и поэтому конфликта с традиционными компаниями, производящими ПЛИС не возникает.

Рисунок 3 Поставщики eFPGA не видят большого конфликта с традиционными компаниями производителями ПЛИС. Источник: Flex Logix 

Еще одним фактором, определяющим бизнес eFPGA, являются компании, которые хотят контролировать свою цепочку поставок. У них могут быть свои собственные MCU или ASSP, вокруг которых они создали программные стеки. Таким образом, добавив некоторый уровень реконфигурируемости в виде eFPGA, они могут заменить/перенести алгоритмы безопасности или проприетарный код.

eFPGA доступны от нескольких производителей, и, хотя эти IP являются интегрируемыми решениями, объём ресурсов ПЛИС начинает играть роль для определенных приложений. Другая вещь, которая сместила маятник в пользу eFPGAs, - это переход к более мелким технологическим нормам. Flex Logix, поддерживая технологические нормы от 180 нм до 5 нм, в настоящее время занимается разработкой микросхем на 3 нм.

“Мы видим готовность производителей ASIC пожертвовать площадью для обеспечения конфигурируемости”, - заключил Ярос. “Таким образом, подавляющее большинство чипов, которые будут выпущены в ближайшие 5-10 лет, будут в той или иной степени содержать eFPGA”. Быстро Меняющиеся стандарты и уникальные алгоритмы искусственного интеллекта подтверждают наше видение.

Автор

Маджид Ахмад, главный редактор EDN и Planet Analog, более двух десятилетий освещает индустрию разработки электроники.

Оригинал 

https://www.edn.com/embedded-fpga-efpga-technology-past-present-and-future/  

PS: небольшой бонус с нашей Питерской FPGA конференции, где мы также затрагивали тему eFPGA

Получай ранний доступ к материалам на нашем patreon