嵌入式FPGA的未來(lái)是怎么樣的？

據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察了解，目前國(guó)內(nèi)有多家FPGA公司在做eFPGA的相關(guān)業(yè)務(wù)，但eFPGA的利潤(rùn)比FPGA要少很多，他們的邏輯是什么？據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)人士指出，eFPGA相當(dāng)于FPGA內(nèi)核IP授權(quán)，想像ARM那樣賺錢(qián)，這不太容易。那么，eFPGA是否有未來(lái)呢？

眾所周知，與幾年前相比，當(dāng)前的FPGA公司格局大不相同。幾年前，Altera被英特爾收購(gòu)。Xilinx正在與AMD合并的過(guò)程中。過(guò)去很多年的FPGA初創(chuàng)公司都已不復(fù)存在。同時(shí)，一些新公司的差異化技術(shù)正在成功地被市場(chǎng)采用。但是eFPGA本身并不是新產(chǎn)品，eFPGA這種產(chǎn)品形式的出現(xiàn)可以說(shuō)改寫(xiě)了FPGA產(chǎn)品的走向。。

什么是eFPGA？

首先，什么是eFPGA？嵌入式FPGA（eFPGA）是嵌入在定制SoC或ASIC器件中的FPGA IP內(nèi)核。該IP可被許可使用，其用途與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中使用的其他IP相似。

為什么eFPGA突然引起如此大的關(guān)注？主要有兩點(diǎn)：一是開(kāi)發(fā)成本隨著每一代新工藝的產(chǎn)生而急劇上升。這些都是由抽象設(shè)計(jì)本身的復(fù)雜性以及在實(shí)際SoC器件中這些設(shè)計(jì)的物理實(shí)現(xiàn)所驅(qū)動(dòng)的，包括軟件工具、工程時(shí)間和掩模成本等項(xiàng)目。第二（相反地），這些設(shè)備的單位功能成本一直在下降。例如，二三十年前，F(xiàn)PGA門(mén)相對(duì)昂貴，因此FPGA設(shè)備傾向于用于原型和預(yù)生產(chǎn)，而不是大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。所以以前試圖在ASIC中添加FPGA門(mén)通常會(huì)增加總體的模具尺寸和復(fù)雜性，以至于新的混合器件將變得過(guò)于昂貴而不實(shí)用。

現(xiàn)在，F(xiàn)PGA門(mén)的成本已降低。取而代之的是，SoC設(shè)計(jì)涉及的高成本增加了因沒(méi)有合適的產(chǎn)品來(lái)滿足特定市場(chǎng)需求而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，而FPGA門(mén)的相對(duì)較低的成本意味著嵌入FPGA技術(shù)可以獲得一定程度的設(shè)計(jì)靈活性（因此降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)）具有經(jīng)濟(jì)意義。

與獨(dú)立FPGA的設(shè)計(jì)過(guò)程不同，eFPGA設(shè)計(jì)人員可以為其客戶的應(yīng)用選擇所需的邏輯，DSP和存儲(chǔ)器資源的確切數(shù)量。當(dāng)移入大批量生產(chǎn)時(shí)，eFPGA還可以通過(guò)消除獨(dú)立的FPGA來(lái)降低系統(tǒng)成本，功耗和電路板空間。具體來(lái)看，相比FPGA，eFPGA具有如下優(yōu)勢(shì)：

更高的性能：eFPGA通過(guò)廣泛的并行接口連接到ASIC，從而提供了更高的吞吐量，并且延遲以單位個(gè)數(shù)的時(shí)鐘周期計(jì)算；

較低的功率：可編程I / O電路占獨(dú)立FPGA總功耗的一半。eFPGA具有直接與SoC的有線連接，從而完全消除了大型可編程I / O緩沖器?？梢愿鶕?jù)您的要求精確調(diào)整eFPGA的大小，并且您可以調(diào)整處理技術(shù)以權(quán)衡性能與功耗之間的關(guān)系。

降低系統(tǒng)成本：eFPGA的管芯尺寸比獨(dú)立的FPGA小得多-消除了可編程I / O緩沖器，未使用的DSP和存儲(chǔ)器模塊以及超額配置的LUT和寄存器。傳統(tǒng)的FPGA引腳數(shù)大且引腳間距緊密，因此您必須制造多層PCB。嵌入式FPGA消除了對(duì)專用PCB以及所有支持組件（如電源調(diào)節(jié)器，時(shí)鐘發(fā)生器，電平轉(zhuǎn)換器和無(wú)源組件）的需求。

更高的系統(tǒng)可靠性和良率：將FPGA功能集成到ASIC中可改善系統(tǒng)級(jí)信號(hào)完整性，并消除與在PCB上安裝獨(dú)立FPGA有關(guān)的可靠性和良率損失。

現(xiàn)在eFPGA可以從多家供應(yīng)商，各種代工廠（臺(tái)積電，格芯，中芯國(guó)際和三星）以及工藝節(jié)點(diǎn)（例如180、40、28、22、16、14、12和7nm）上購(gòu)得。

eFPGA玩家層出，國(guó)外居多

這幾年eFPGA的玩家真是如雨后春筍般的崛起。國(guó)外的eFPGA玩家中不乏有新老玩家的切入：Achronix、QuickLogic、Flex Logix、Menta、Adicsys、NanoXplore、ADICSYS、Efinix，他們有的提供軟IP，有的提供硬IP。國(guó)內(nèi)的FPGA相對(duì)起步晚，eFPGA更晚一些，目前了解到中科億海微在做eFPGA。在此，我們簡(jiǎn)單說(shuō)幾家有代表性的eFPGA廠商。

說(shuō)到eFPGA，真正讓eFPGA火起來(lái)走進(jìn)大眾視野的當(dāng)屬Achronix，此前該公司一直銷(xiāo)售高端FPGA，而在后來(lái)開(kāi)始提供嵌入式FPGA（eFPGA IP）。Achronix的Speedcore是第一個(gè)投放市場(chǎng)的eFPGA IP，Speedcore eFPGA專為計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)加速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，基于與Achronix的Speedster22i FPGA相同的高性能架構(gòu)，該架構(gòu)已經(jīng)批量生產(chǎn)多年。

Achronix是唯一一家在前沿工藝節(jié)點(diǎn)上提供FPGA芯片和IP產(chǎn)品的獨(dú)立公司，目前其正在通過(guò)SPAC上市。PCIe 5.0的出現(xiàn)，以及希望在網(wǎng)絡(luò)路線圖上利用其技術(shù)來(lái)構(gòu)建加速器卡的越來(lái)越多的潛在客戶，Achronix迎來(lái)了很大的發(fā)展契機(jī)。

最近，他們已經(jīng)將自己的FPGA調(diào)整為成為下一代數(shù)據(jù)中心核心的DPU。而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Xillinx和Altera由于擁有x86所有權(quán)而被限制，并在此過(guò)渡中扮演次要角色。因?yàn)槿?a href="http://wenjunhu.com/tags/亞馬遜/" target="_blank">亞馬遜，阿里巴巴，百度，谷歌，F(xiàn)acebook，微軟和騰訊都希望對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)中心的硬件/軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全的垂直控制。他們希望通過(guò)內(nèi)部的芯片工作以及與規(guī)模較小的公司的合作伙伴關(guān)系來(lái)開(kāi)發(fā)自己的解決方案。他們可以將Achronix的IP與ARM和Synopsis的其他IP集成在一起，以構(gòu)建自己的自定義DPU。

Blake解釋道：“隨著時(shí)間的推移，如果你看看集成電路或ASIC不斷發(fā)展，它們會(huì)逐步集成更多的能力，從內(nèi)存到高速SERDES再到DSP塊，然后是cpu和ML處理器。這種整合路徑很常見(jiàn)。我對(duì)嵌入式FPGA的看法是，為什么ASIC或SoC公司不集成FPGA？很早之前，我就知道這不是“如果”，而是“什么時(shí)候”。隨著最新一代的使用模式和高端市場(chǎng)更廣泛的應(yīng)用，這是有道理的?！彼a(bǔ)充說(shuō)，他們的雙重業(yè)務(wù)模式是使他們能夠借助高價(jià)值的授權(quán)抵御行業(yè)沖擊的關(guān)鍵。其實(shí)這種模式就如同現(xiàn)在的Arm的業(yè)務(wù)模式。

在Achronix看來(lái)，如果他們以較低的許可費(fèi)和特許權(quán)使用費(fèi)對(duì)較小的內(nèi)核進(jìn)行許可，而對(duì)較大的內(nèi)核進(jìn)行更高的制造許可費(fèi)和每個(gè)設(shè)備的芯片特許權(quán)使用費(fèi)，這些設(shè)備可以是按百萬(wàn)美元數(shù)量級(jí)的“小”設(shè)備，也可以是按1，000萬(wàn)美元至2，000萬(wàn)美元范圍的“大”設(shè)備。他們正在利用其他公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)發(fā)包含我們技術(shù)的產(chǎn)品，而且他們沒(méi)有制造成本。這是一項(xiàng)利潤(rùn)率非常高的業(yè)務(wù)。

而英特爾和AMD永遠(yuǎn)不會(huì)為其核心FPGA IP授予許可。IP許可業(yè)務(wù)是只有獨(dú)立公司才能從事的業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在已經(jīng)不像過(guò)去那樣賺錢(qián)了，現(xiàn)在的云服務(wù)提供商正積極尋求擺脫像英特爾這樣的供應(yīng)商所依賴的過(guò)時(shí)的商業(yè)模式，那么這個(gè)行業(yè)必須發(fā)展。事實(shí)上，盡管擁有Altera，英特爾仍在使用Achronix，這充分說(shuō)明了Speedster 22i的質(zhì)量。

另外一家eFPGA廠商Flex Logix Technologies的eFPGA業(yè)務(wù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)金盈利。他們最初是跟政府合作，特別是DARPA（國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）。同時(shí)這項(xiàng)合作為他們帶來(lái)了很多項(xiàng)目，也有商業(yè)客戶，例如Dialog Semiconductor為其可配置電源管理IC（PMIC）。Dialog于2019年底授權(quán)Flex Logix的eFPGA及其編譯器，以實(shí)現(xiàn)Dialog未來(lái)PMIC的可配置性。

今年3月初，F(xiàn)lex Logic表示已擴(kuò)大與DARPA的EFLX eFPGA技術(shù)的許可協(xié)議。該協(xié)議使DARPA研究人員能夠保留硬連線電路的所有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還增加了在流片后需要修改，更新或修復(fù)其算法或加速器中的功能性錯(cuò)誤時(shí)更改電路的功能。自2017年與DARPA合作以來(lái)，F(xiàn)lex Logix已向許多美國(guó)政府資助的程序提供了eFPGA，這些程序需要eFPGA在更高級(jí)節(jié)點(diǎn)的芯片中具有靈活性和可重編程性。

最近他們開(kāi)始將業(yè)務(wù)聚焦在AI上，目前其已完成5500萬(wàn)美元的D輪融資，將用于擴(kuò)大其業(yè)務(wù)的人工智能（AI）推理部分。他們的推理芯片InferX X1目前正在向客戶提供樣品。這筆資金將使其能夠提高該芯片的產(chǎn)量，并組建新的銷(xiāo)售團(tuán)隊(duì)以專注于這一方面的業(yè)務(wù)。InferX X1芯片和電路板將在2021年中期投入量產(chǎn)，同時(shí)還將提供InferX Inference編譯器，該編譯器將使用Tensorflow Lite和ONNX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并生成運(yùn)行InferX X1的代碼，而無(wú)需其他解決方案所需的詳細(xì)編程。

Flex Logix的推理體系結(jié)構(gòu)針對(duì)邊緣百萬(wàn)像素視覺(jué)應(yīng)用程序所需的低延遲操作進(jìn)行了優(yōu)化。它將眾多一維張量處理器與可重新配置的高帶寬，無(wú)阻塞互連結(jié)合在一起，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的每一層都可以配置為最大程度地利用，從而以較低的成本和功耗實(shí)現(xiàn)了非常高的性能。處理模型時(shí)，將在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)重新配置計(jì)算和內(nèi)存之間的連接。該體系結(jié)構(gòu)是Flex Logix的InferX X1邊緣推理加速器的基礎(chǔ)，該加速器現(xiàn)在正在運(yùn)行YOLOv3對(duì)象檢測(cè)和采樣以吸引主要客戶。

“這種可編程互連架構(gòu)是從eFPGA架構(gòu)演變而來(lái)的。僅僅兩年多以前，一位客戶正在征求有關(guān)如何在FPGA上實(shí)現(xiàn)推理的建議。我的聯(lián)合創(chuàng)始人提出了一個(gè)新架構(gòu)InferX。在許多FPGA中，其中80％用于可編程互連，而不是可編程邏輯。相同的可編程互連用于推理，它是非阻塞的，可滿足客戶解決延遲問(wèn)題的需求?！盕lex Logix的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Geoff Tate在接受EE Times采訪時(shí)表示。

除了這兩家，其實(shí)在歐洲也有一家eFPGA正在迅速發(fā)展，那就是來(lái)自法國(guó)的Menta。Menta是歐洲唯一經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的半導(dǎo)體eFPGA提供商。據(jù)官網(wǎng)介紹，Menta是一家私有公司，為SoC，ASIC或ASSP設(shè)計(jì)提供100％第三方標(biāo)準(zhǔn)單元嵌入式FPGA IP。我們的技術(shù)使用戶可以毫不費(fèi)力地更新芯片的后期生產(chǎn)，無(wú)論是修復(fù)錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)客戶特定的功能，適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，還是增強(qiáng)安全性。Menta IP與Origami工具鏈一起提供，以從RTL生成比特流，包括合成。

國(guó)內(nèi)的中科億海微電子科技（蘇州）有限公司成立于2017年1月，是由中科院電子所旗下產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)聯(lián)合研究院可編程芯片與系統(tǒng)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)，研制具有高可靠性的嵌入式可編程IP 核、可編程芯片和EDA軟件，實(shí)現(xiàn)可編程芯片軟硬件的全面自主可控。其eFPGA產(chǎn)品為億靈犀 eLinkSeas，LUT數(shù)量為640~92000，支持境內(nèi)40nm工藝。

eFPGA是否有未來(lái)？

說(shuō)eFPGA的未來(lái)，不妨借鑒下Arm的發(fā)展路徑，Arm自1990年開(kāi)始授權(quán)處理器IP，到2019年，它獲得了5.5億美元的新處理器許可（它們的專利使用費(fèi)收入要高得多），這是經(jīng)過(guò)30年的市場(chǎng)發(fā)展之后的結(jié)果。eFPGA還較新，Allied Market Research預(yù)測(cè)，2024年eFPGA許可收入將增長(zhǎng)至3億美元。

eFPGA在成本，功耗，性能和電路板復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)非?？捎^，有趣的是，什么樣的應(yīng)用程序成為采用eFPGA的“最佳落地點(diǎn)”。2021年3月，Achronix宣布客戶的ASIC中已經(jīng)發(fā)貨了1000萬(wàn)個(gè)Speedcore eFPGA IP內(nèi)核。這顯示了eFPGA IP技術(shù)的快速增長(zhǎng)以及Achronix的Speedcore eFPGA IP解決方案的質(zhì)量。

好消息是，如今，云廠商大舉進(jìn)攻ASIC芯片，紛紛開(kāi)始投入自研行列，相比較而言，這些云廠商大多財(cái)大氣粗，勢(shì)必給eFPGA的發(fā)展帶來(lái)很大的契機(jī)。ASIC / SoC設(shè)計(jì)中大量的選擇和eFPGA技術(shù)的迅速采用，對(duì)賽靈思和英特爾等公司的獨(dú)立FPGA的統(tǒng)治地位構(gòu)成了新的威脅，具有嵌入式結(jié)構(gòu)的第三方SoC可能會(huì)與兩家大公司的SoC FPGA產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

按照eFPGA供應(yīng)商Menta的觀點(diǎn)，對(duì)于那些需要大量可編程邏輯資源的小批量，高價(jià)值的應(yīng)用，F(xiàn)PGA發(fā)揮了出色的作用，我們這里說(shuō)的是數(shù)百萬(wàn)個(gè)LUT。例如，在數(shù)據(jù)中心中，獨(dú)立FPGA上的AI工作負(fù)載正在大大打擊GPU，但是，在邊緣和負(fù)載方面，將成本和低功耗作為首要考慮因素時(shí)，獨(dú)立的FPGA并沒(méi)有多大意義，進(jìn)行原型設(shè)計(jì)時(shí)除外。微軟已在Azure中廣泛部署了FPGA，在某個(gè)時(shí)候，數(shù)據(jù)中心可能會(huì)將eFPGA集成到ASIC中，以更有效地利用eFPGA的性能優(yōu)勢(shì)。AI領(lǐng)域也是，如前文所說(shuō)，F(xiàn)lex Logix使用eFPGA開(kāi)發(fā)優(yōu)化的推理加速器InferX X1，Achronix也正在為AI實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的MAC。

Menta還在客戶中看到了另一種現(xiàn)象，可配置性。在使用eFPGA之前，一些客戶可能會(huì)擁有數(shù)百種功能稍有不同的不同芯片?，F(xiàn)在，借助少量的eFPGA，他們可以擁有一個(gè)裸片，由此可以生產(chǎn)100個(gè)不同的SKU，而沒(méi)有庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)他們來(lái)說(shuō)是無(wú)價(jià)的。

最后，特別是在加密技術(shù)中，eFPGA可以起到更高的安全性。如果加密被硬連接到門(mén)中，則始終可以進(jìn)行逆向工程。如果僅在運(yùn)行時(shí)將其加載到ASIC中（您可以使用eFPGA進(jìn)行此操作），則進(jìn)行逆向工程將更加困難。

除了上面這些，在通信，自動(dòng)駕駛，高頻交易，挖礦在這些市場(chǎng)中，ASIC和SoC是可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)的真正贏家。實(shí)際上，eFPGA的應(yīng)用似乎是無(wú)止境的，隨著客戶提出如何使用eFPGA的學(xué)習(xí)曲線，并不斷要求供應(yīng)商支持新特性和功能以改善其價(jià)值主張，它將繼續(xù)發(fā)展，真正的客戶需求將成為eFPGA未來(lái)發(fā)展的原動(dòng)力。

然而，與所有復(fù)雜的技術(shù)一樣，也存在一些挑戰(zhàn)。其中之一是，eFPGA有節(jié)點(diǎn)限制，所以并不適合所有人，eFPGA IP架構(gòu)、尺寸和技術(shù)以及跨不同代工廠和流程節(jié)點(diǎn)的SoC實(shí)現(xiàn)有很多很多可能的組合。還存在與需要不同數(shù)量的金屬層、管理時(shí)鐘域邊界和協(xié)調(diào)不同電源管理方案相關(guān)的潛在集成問(wèn)題。

然而，eFPGA技術(shù)只有在可編程邏輯有效集成在SoC內(nèi)時(shí)才能成功。這需要技術(shù)、架構(gòu)和軟件工具的正確組合，以便開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)有一個(gè)完整和有效的設(shè)計(jì)流程，使他們能夠無(wú)縫地從概念到工作硅，再到生產(chǎn)后市場(chǎng)調(diào)整和準(zhǔn)備發(fā)貨的產(chǎn)品。

未來(lái)，eFPGA技術(shù)能否像今天的Arm處理器一樣普及值得我們深思。

原文標(biāo)題：eFPGA，會(huì)有未來(lái)嗎？

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責(zé)任編輯：haq