当FPGA越来越像SoC,eFPGA终于找到机会

2018-06-08 09:59:38 来源:电子发烧友
标签:
SoC   FPGA   ASIC   eFPGA

eFPGA:冉冉升起的新星,eFPGA即嵌入式FPGA(embedded FPGA),是近期兴起的新型电路IP。

随着摩尔定律越来越接近瓶颈,制造ASIC芯片的成本越来越高。因此,设计者会希望ASIC能实现一定的可配置性,同时又不影响性能。在希望能做成可配置的模块中,负责与其他芯片或者总线通信的接口单元又首当其冲。在芯片中,模块间的通信往往使用简单的并行接口或者配合简单的时序逻辑,但是在芯片间通信时为了保证可靠性,必须通过一系列握手(handshake)协议来完成通信接口。设计者往往希望自己的SoC能够与市面上尽可能多的其他芯片通信,然而市场上的芯片通信接口并没有一个统一标准,同时一些通信协议也在随着时间不断更新换代,因此芯片间通信往往需要一些中介(bridge)芯片。事实上,使用FPGA芯片作为芯片间通信的中介已经是很常见的做法,因为FPGA具有可配置性,因此可以作为通用通信中介。例如,Apple在iPhone7中集成了一小块LatTIce的FPGA芯片,据推测就是为了实现芯片间的通信中介和可配置互联。然而,在硬件系统中使用额外的通信中介芯片成本较高,而且也不利于维护,那么,有没有集成度更高的方案呢?这时候,eFPGA就应运而生,通过把一小块FPGA电路IP集成到SoC中充当接口握手协议处理单元,可以大大提高SoC接口的灵活性,因此能与不同的其他芯片进行通信。

除此之外,随着目前异构计算架构的兴起,eFPGA又看到了一种新的可能,即在SoC上实现高集成度的异构计算,让eFPGA随着系统的需求在处理不同的应用时配置成不同的模块。这与Intel收购Altera FPGA的终极目标相同,只是Intel收购Altera之后,Altera的FPGA IP只会集成在Intel的芯片上,而eFPGA厂商则可以把IP提供给任何花钱购买的客户。

eASIC概念第一次进入大众视野可以说是2014年,由UCLA的Cheng C. Wang,Fang-Li Yuan和Dejan Markovic等人在ISSCC发表的文章,“A MulTI-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile CompuTIng”。在这篇文章中,作者们通过创造性地设计互联单元,一举解决了FPGA的功耗、性能和成本受到布线资源限制的问题,从而使得eASIC集成到SoC中真正变为可能,而该论文也因其突出贡献获得了ISSCC Lewis Award。之后,Cheng C. Wang,Fang-Li Yuan和Dejan Markovic就利用该论文中的成果成立了FlexLogix,推广eFPGA的概念,并使其真正能够商用化。

到了今年,eFPGA的概念已经获得了业界的广泛认可,而该领域的公司也在慢慢变多。在前几天举行的ARM TechCon中,我们看到了四家公司,分别是FlexLogix,Achronix,QuickLogic以及Menta。

FlexLogix作为eFPGA的先驱,在本届ARM TechCon上推出的新亮点是用于2.5D封装的小型FPGA芯片。该芯片主要解决的问题是,如果ASIC使用成熟工艺(如65nm)实现,但是eFPGA在65nm上跑不到预期的性能怎么办?使用FlexLogix的小型FPGA芯片,就可以把16nm的eFPGA和65nm的ASIC使用硅载片(silicon interposer)之类的2.5D封装技术集成到一起,从而实现客户所需要系统性能。

Achronix的亮点则是高速eFPGA IP。其最新一代的Speedcore IP将会在TSMC 7nm工艺上实现,从而实现最强的性能。另外,Achronix的Speedster FPGA芯片也在出货中。作为首家eFPGA进入量产芯片的公司,Achronix2016-2017年收入猛增,值得关注。

QuickLogic是老牌FPGA厂商,现在也加入了eFPGA的战场,为我们带来了ArcTIcPro系列IP。其主要市场是超低功耗SoC市场,例如蓝牙、物联网等等,它的eFPGA将给这些超低功耗SoC带来可配置性,从而实现更好的功耗与成本。另外,QuickLogic的eFPGA支持以性价比高著称的SMIC,也是其一大亮点。

Menta与之前三家相比,其最大的亮点是可移植性最好,因为之前三家公司提供的eFPGA都是GDS硬IP,而Menta能够提供RTL软IP,因此可以轻松移植到不同的工艺上。

FPGA SoC:老树发新枝
如果说eFPGA是往SoC里面加入FPGA的话,那么FPGA SoC的概念就是在FPGA里面加上了处理器。FPGA经过这么多年的发展,已经不只是验证设计的平台,而变成了一种独立的设计实现方式。FPGA可快速重配置的特点使它在许多对灵活性有要求的平台如鱼得水。

为了能从外部方便地控制FPGA,往往需要在FPGA里面实现一个微处理器以运行操作系统以及相关程序,然后把程序中可加速的部分使用FPGA里面的可配置逻辑高效执行。虽然程序中的大部分运算都可以由FPGA加速,但是操作系统部分却可能成为整体实现的瓶颈:在传统FPGA中,微处理器往往会用软核(如MicroBlaze)在FPGA上实现,因此比起用来加速的逻辑部分,微处理器的运行速度会比较慢(时钟频率《100 MHz),从而拖慢了整体系统的效率。有鉴于此,Altera和Xilinx都推出了自己的方案,即在FPGA芯片内集成一个微处理器硬核(如ARM系列处理器)。该硬核不使用FPGA而是由定制逻辑实现,因此可以跑在很高的时钟频率(~1GHz甚至更高)。因此,在FPGA SoC中,处理器性能不再成为瓶颈,从而使整体系统实现更高性能。

目前Xilinx和Altera都已经推出了FPGA SoC相关产品,并且获得了用户的一致认可。然而,FPGA SoC的前景远远不止FPGA+高速处理器硬核。大家知道,FPGA开发生态发展较慢,一个重要原因就是硬件逻辑代码编写的学习曲线非常陡峭,导致开发者敬而远之。为了减少开发者的学习成本并加快开发速度,FPGA厂商纷纷推出高级综合工具(high-level synthesis),可以直接把C语言之类的高级语言翻译成RTL,从而大大简化FPGA硬件开发。而FPGA SoC配合高级综合工具双剑合璧能让整个开发流程更简单:首先开发者用C写传统ARM上能跑的程序代码,之后高级综合工具把代码中能够用FPGA加速的部分转化成RTL并用FPGA硬件实现,而代码的其他部分则跑在FPGA SoC中的ARM硬核上面。这样就让高性能FPGA开发变得非常容易,可望在未来让更多开发者能加入FPGA生态。

那么,eFPGA IP和FPGA SoC,谁将在未来更受欢迎呢?笔者认为,这两种生态都表明了SoC在摩尔定律遇到瓶颈的今天走向可配置的潮流,只是eFPGA从SoC的角度出发,而FPGA SoC则是从传统FPGA的角度出发。这有点类似之前的微处理器,以Intel代表的传统处理器芯片提供商的技术发展路径是以处理器为本,并在处理器芯片中集成更多多媒体处理单元,例如集成显卡,使得处理器更接近SoC;而以ARM为代表的IP提供商则是提供处理器IP,为ASIC中集成合适的处理器IP成为实用的SoC变得更方便。这两种生态将会同时存在,然后随着市场的发展或许会在某个中间点融合在一起。让我们拭目以待!

 

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
靠加速器支撑后摩尔定律时代的算力增长是谬论?

加速器已经无处不在:世界上的比特币是由旨在加速这种加密货币的关键算法的芯片采矿得来,几乎每一种能发出声音的数字产品都使用硬连线音频解码器,数十家初创公司正在追逐能让深度学习AI无处不在的快速硅。

2018年十件FPGA大事,哪件牵动你的心(上)
2018年十件FPGA大事,哪件牵动你的心(上)

在科技领域里,FPGA向来都不是最吸引眼球的。可是就在刚刚过去的2018年,就发生了很多FPGA相关的大事。在这些大事中,很多都会对FPGA甚至整个芯片行业未来的发展产生重大影响。

在芯片领域,英特尔、高通和华为等公司有啥新计划?
在芯片领域,英特尔、高通和华为等公司有啥新计划?

全球最具科技指标性意义的展览之一的美国拉斯维加斯进行的国际消费电子展 (Consumer Electronics Show) CES 2019 是科技开年秀也是朝圣周,才刚刚落幕。

2018年苏州国芯C*Core SoC芯片成绩斐然,19年仍有上升空间

C*Core是苏州国芯科技的核心,官方消息显示,2018年有超过亿颗内嵌C*Core CPU的SoC 芯片获得量产应用,领域涉及智能电网、金融终端、生物特征识别、汽车车身及发动机控制、北斗导航、智能交通、网络通信及航空航天。

适用于汽车电子的高集成度、高可靠性SoC解决方案

随着汽车部件电子化程度的不断提高,汽车工程师们正积极地寻求车辆系统中的先进控制和接口技术解决方案。

更多资讯
PLC的面向对象编程实现方式

面向对象编程是计算机高级语言的一种先进的编程模式,在工业控制系统的PLC程序中也可以采用这种设计思想,虽然我们无法实现面向对象的很多优秀特点如“继承”,甚至于它根本就不具备面向对象编程语言的特点,但面向对象编程的基本概念就是类和类的实例(即对象),我们只需要使用这种概念就可以了。

ASIC项目瀑布式开发流程详解

最近收拾书架,翻出一张多年以前的ASIC项目开发流程图,一起回顾一下。

智能门锁不安全?工程师自己造了一个AI人脸识别门锁
智能门锁不安全?工程师自己造了一个AI人脸识别门锁

展示了AI如何在Ultra96和Intel Movidius NCS以及Tensorflow Inception Facenet上运行。 该项目可以扩展到使用面部识别来解锁,记录进出情况,打开不同的灯光场景。

芯片厂商营收整体看衰赛灵思却逆势增长34%,凭什么
芯片厂商营收整体看衰赛灵思却逆势增长34%,凭什么

赛灵思可编程芯片产品市场的不断增长推动它的发展壮大,5G网络的推出也是它继续前行的助推器。

使用Vivado HLS在ZYNQ-7000上开发OPENCV的教程

OPENCV(Open Source Computer Vision)被广泛的使用在计算机视觉开发上。使用Vivado HLS视频库在zynq-7000全可编程soc上加速OPENCV 应用的开发,将大大提升我们的计算机视觉开发。

电路方案