eFPGA是什么？幾個(gè)關(guān)于eFPGA的常見(jiàn)迷思

eFPGA，全稱為嵌入式FPGA（Embedded FPGA），顧名思義是將類似于FPGA的可編程邏輯陣列“嵌入”到ASIC或SoC中。在老石之前的文章《Xilinx到底有沒(méi)有贏得微軟的FPGA訂單》中，提到了Facebook可能會(huì)采用類似eFPGA的方法，作為自家數(shù)據(jù)中心的計(jì)算加速芯片。

在本文中，老石收集整理了幾個(gè)關(guān)于eFPGA的常見(jiàn)迷思，以及對(duì)應(yīng)的解答和討論，謹(jǐn)供各位讀者參考。

壹

eFPGA性能指標(biāo)相關(guān)的迷思

1. eFPGA的工作頻率能否達(dá)到我的設(shè)計(jì)要求？

和ASIC相比，絕大多數(shù)的FPGA設(shè)計(jì)都無(wú)法達(dá)到同樣的運(yùn)行頻率。其實(shí)，F(xiàn)PGA并非以高時(shí)鐘頻率取勝，F(xiàn)PGA的高性能主要是通過(guò)極高的硬件并行處理能力、深度流水線、以及高位寬總線等方式取得。

嵌入式FPGA，即eFPGA的本質(zhì)也是可編程邏輯陣列，因此單就運(yùn)行頻率而言并不能和ASIC相比。

不過(guò)，業(yè)界和學(xué)術(shù)界也在不斷研究如何突破FPGA的頻率限制，例如，英特爾在新一代的高端FPGA產(chǎn)品Stratix10中采用了HyperFlex架構(gòu)，如下圖所示，在可編程邏輯單元之間引入了多個(gè)寄存器陣列，可以將FPGA的運(yùn)行速度增加1.5~2倍。

在老石的博士研究課題中，老石發(fā)現(xiàn)很多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)誤差的容忍度很高，因此對(duì)FPGA進(jìn)行簡(jiǎn)單的“超頻”操作就可以極大提高FPGA的性能，代價(jià)僅僅是出現(xiàn)概率極小的精度損耗。

關(guān)于老石博士期間的研究?jī)?nèi)容，有興趣的讀者可以在后臺(tái)給我留言，老石會(huì)找機(jī)會(huì)在今后的文章中繼續(xù)介紹。

2. eFPGA的功耗會(huì)不會(huì)太大？

這個(gè)問(wèn)題的答案應(yīng)該是否定的。不僅如此，eFPGA的功率密度通常遠(yuǎn)低于FPGA，或者ASIC與SoC上的其他IP。

對(duì)于傳統(tǒng)的FPGA而言，它主要的“功耗大戶”之一是FPGA的可編程I/O部分。而eFPGA直接通過(guò)芯片上總線與ASIC的其他IP相連，直接去掉了原FPGA的I/O部分，從而將削減了大部分功耗。

另一方面，如上一個(gè)問(wèn)題提到的，eFPGA的頻率遠(yuǎn)低于ASIC或SoC上的其他IP，使得eFPGA的動(dòng)態(tài)功耗相對(duì)較低。

3. eFPGA能否為我的設(shè)計(jì)提供足夠的帶寬？

同樣的，對(duì)于傳統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)而言，系統(tǒng)性能很多時(shí)候直接受到FPGA芯片的I/O引腳數(shù)量的限制。特別是對(duì)于很多通信、網(wǎng)絡(luò)、高性能運(yùn)算的應(yīng)用而言，需要FPGA芯片提供大量高性能SerDes收發(fā)器以及通用I/O引腳，以便于外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸，而這通常受到芯片封裝技術(shù)的限制。

與此相比，eFPGA沒(méi)有引腳數(shù)量限制，因?yàn)樗举|(zhì)上就是集成在ASIC里的IP核。因此與FPGA相比，eFPGA與ASIC或SoC的通信帶寬可以提升10倍以上。事實(shí)上，這也是eFPGA產(chǎn)生和使用的主要推動(dòng)因素之一。

eFPGA不需要芯片與芯片間的連接，而是直接通過(guò)芯片上不同IP的連接進(jìn)行通信，極大提升了通信帶寬，并減少了通信延時(shí)，見(jiàn)下圖。

4. 使用eFPGA會(huì)導(dǎo)致芯片面積過(guò)大？

ASIC或SoC工程師在第一次看到FPGA時(shí)通常會(huì)被FPGA芯片的大小嚇到，因?yàn)橥ǔPGA芯片實(shí)在是太大了。可以看下圖，感受一下FPGA與英特爾Atom通用處理器芯片大小的對(duì)比。

通常來(lái)講，F(xiàn)PGA的主要芯片面積一半是可編程邏輯單元，另一半則是可編程的I/O及相關(guān)電路?？删幊蘄/O是FPGA安身立命的法寶之一，它使得FPGA可以與包括微處理器、ASIC、存儲(chǔ)器、以及其他FPGA在內(nèi)的幾乎其他任何芯片或系統(tǒng)相互通信。這也是為什么可編程I/O部分的芯片面積為何如此之大的原因。

與FPGA相比，eFPGA不需要實(shí)現(xiàn)可編程的I/O部分，因?yàn)榕ceFPGA相互通信的ASIC IP在設(shè)計(jì)時(shí)就已固定。當(dāng)去掉了可編程I/O部分之后，對(duì)于同等邏輯密度的FPGA而言，eFPGA的芯片面積會(huì)極大縮減。

5. 使用eFPGA的成本會(huì)很高？

老石對(duì)成本方面的問(wèn)題并不了解，但是，eFPGA的主要提供商之一，Achronix公司的市場(chǎng)部副總裁Steve Mensor稱：使用eFPGA的成本“并不會(huì)比其他IP更貴”。

老石認(rèn)為，使用成本應(yīng)該從兩個(gè)角度來(lái)看。第一是用戶直接付出的金錢成本，即購(gòu)買芯片或IP付出的金錢。另一個(gè)則是所購(gòu)買的IP能提供的功能多樣性，即實(shí)現(xiàn)某種功能所分?jǐn)偟某杀?。?duì)于FPGA或eFPGA而言，它們最強(qiáng)大的功能是可以實(shí)現(xiàn)不同的用戶邏輯，并且在芯片流片后還能進(jìn)行功能邏輯的修改，因此能大幅降低SoC和ASIC的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并提高設(shè)計(jì)的靈活性。

貳

eFPGA開(kāi)發(fā)相關(guān)的迷思

1. eFPGA的開(kāi)發(fā)流程與傳統(tǒng)ASIC或SoC的開(kāi)發(fā)流程差別太大？

eFPGA的流程與傳統(tǒng)FPGA、ASIC或SoC的開(kāi)發(fā)流程并無(wú)二致，總結(jié)起來(lái)都是邏輯綜合、布局布線、時(shí)序優(yōu)化等。和FPGA相同，eFPGA開(kāi)發(fā)完成后也會(huì)生成一個(gè)二進(jìn)制配置文件（bitstream），用來(lái)對(duì)可編程邏輯進(jìn)行配置。包含eFPGA的SoC開(kāi)發(fā)流程如下圖所示。

與其說(shuō)與ASIC或SoC的開(kāi)發(fā)流程不同，不如說(shuō)是開(kāi)發(fā)工具有很大差別，這樣就引出了下一個(gè)問(wèn)題。

2. eFPGA的開(kāi)發(fā)工具尚不成熟？

不管是對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)，還是ASIC或SoC設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)工具一直是體現(xiàn)一個(gè)公司綜合實(shí)力的精髓所在。

芯片開(kāi)發(fā)工具可以大致分成兩個(gè)層次，一個(gè)是用來(lái)設(shè)計(jì)芯片本身，主要是各大EDA公司如Cadence和Synopsys的軟件套件，涵蓋了芯片設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。另一個(gè)則是用來(lái)開(kāi)發(fā)芯片應(yīng)用的軟件，例如用于FPGA開(kāi)發(fā)的英特爾FPGA的Quartus Prime和Xilinx的Vivado等，這些軟件決定了FPGA是否便于用戶使用，因此是這些公司真正的“皇冠上的明珠”。

作為eFPGA廠商而言，提供便于使用且性能穩(wěn)定的開(kāi)發(fā)工具是必不可少的。這需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累，以及廣泛的用戶體驗(yàn)與反饋。老石相信，對(duì)eFPGA開(kāi)發(fā)工具的研發(fā)，會(huì)是這些eFPGA廠商的重中之重。

3. eFPGA的開(kāi)發(fā)難度太大？

在生產(chǎn)方面，eFPGA的開(kāi)發(fā)和集成需要eFPGA廠商、ASIC或SoC集成商、以及晶圓代工廠緊密配合，保證在不同工藝節(jié)點(diǎn)eFPGA都能有效整合。然而，對(duì)于單純的邏輯開(kāi)發(fā)難度與周期而言，eFPGA與其他數(shù)字電路IP并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

在eFPGA的配置和調(diào)試方面，也與傳統(tǒng)FPGA沒(méi)有太多區(qū)別。通過(guò)開(kāi)發(fā)工具產(chǎn)生的eFPGA配置文件可以通過(guò)jtag或者flash等方式，對(duì)eFPGA進(jìn)行功能配置。

叁

結(jié)語(yǔ)

eFPGA作為一種存在許久的設(shè)計(jì)理念，在近年逐漸重新獲得人們的關(guān)注。這主要是由于eFPGA能夠提供更優(yōu)的系統(tǒng)性能與更低的芯片功耗，因此被逐漸用于5G、機(jī)器學(xué)習(xí)加速器等諸多新興領(lǐng)域。

eFPGA與FPGA二者同屬可編程邏輯陣列，有著共同的架構(gòu)和性能特點(diǎn)，但又有著不同的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。老石認(rèn)為，與其說(shuō)eFPGA會(huì)替代FPGA，不如說(shuō)eFPGA是FPGA的有力補(bǔ)充。相信在大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，這些可編程邏輯芯片一定會(huì)有著更加廣闊的應(yīng)用。