嵌入式 FPGA (eFPGA) 的時代終于到來了，這從其在無線基礎設施、人工智能 (AI)、智能存儲，甚至對成本敏感的微控制器的芯片中的影響力中可見一斑。作為片上系統 (SoC) 子系統，就像 CPU 或 DSP 一樣，它動態地重新配置硬件邏輯，其大小范圍從 1,000 到 500,000 個查找表 (LUT)。

EDN采訪了 Flex Logix Technologies 的 IP 銷售、營銷和解決方案架構副總裁 Andy Jaros，以了解這種新興可編程技術的優勢。Flex Logix 成立于 2014 年，是一家 IP 公司，聲稱提供高密度 FPGA 架構以促進邏輯可重構性，而無需設計工程師進行繁重的工作。

我們通過向 Jaros 詢問這項技術的起源來開始討論。Jaros 是半導體行業的資深人士，其職業道路從 Arm 和 ARC 到摩托羅拉和 Synopsys。

歷史：沒那么快

eFPGA 的概念有一段曲折的歷史，可以追溯到 1990 年代。長期以來，半導體行業的人們一直在談論將 LUT 納入 ASIC 以獲得額外的靈活性。然而，與帶有強大工具鏈的 FPGA 不同，工具的缺乏是在芯片中實現嵌入式 FPGA IP 的主要障礙。

Jaros 回憶說，幾十年來一直有人聲稱創建了 eFPGA 結構。“一些老牌半導體公司的人說，他們在大約 20 到 30 年前曾經這樣做過，但他們實施嵌入式 FPGA 的方式占據了很大的領域。”

傳統FPGA采用網狀互連，FPGA中80%的面積被互連占用。Flex Logic 聯合創始人 Cheng Wang 開發了一種分層互連，與網狀互連相比，它占用的面積只有一半。反過來，這提供了顯著的面積和成本優勢。eFPGA IP 供應商還聲稱其互連實現了 90% 的利用率；另一方面，在分立 FPGA 中使用網狀互連時，我們看到近 70% 的利用率。

圖 1eFPGA 可以針對各種總線大小輕松優化。資料來源：Flex Logix

現狀：生意不錯

eFPGA 技術非常通用，因為它支持從非常小的實例到非常大的各種應用實例。eFPGA 的工作原理類似于現成的 FPGA 芯片，可以在幾天內交付任意大小的陣列。

“我們對 ASIC 公司的吸引力很大，”Jaros 說。“將 FPGA 功能集成到 ASIC 中提高了性能并降低了系統級的功耗和成本。” 這允許設計工程師根據應用要求完全取消 FPGA 或使用更便宜的 FPGA。

Jaros 還指出，傳統上使用 FPGA 的系統公司正開始與其 ASIC 合作伙伴一起探索 eFPGA IP。它允許系統制造商停留在中間堆棧的較低級別。此外，雖然市場需求瞬息萬變，但汽車原始設備制造商和一級供應商等系統制造商迫不及待地等待一年來添加新功能。“因此，某些 RTL 可配置性比 10 年前更有意義。”

然后，有更高端的 MCU 開始集成硬件加速器，無論是用于神經網絡 AI 處理還是專有代碼加速。這些場景通常使用 16,000 到 20,000 個 LUT。接下來，Jaros 看到了混合信號公司的更多興趣。“數字方面唯一改變的是狀態機，”Jaros 說。“因此，混合信號設計人員正在尋找 eFPGA，以便在無需投資 MCU 和完整的軟件工具流程的情況下，為狀態機增加一定程度的可配置性。”

圖 2Flex Logix 的 eFPGA 基于 EFLX 4K，該 tile 有兩個版本：所有邏輯或主要是帶有一些乘法累加器 (MAC) 的邏輯。資料來源：Flex Logix

未來：與分立 FPGA 的競爭

關于 eFPGA 業務的普遍看法是，它將對獨立 FPGA 細分市場構成威脅。然而，英特爾和賽靈思正在做的是開發復雜的產品。“英特爾和賽靈思正在進入更大的 FPGA 空間以支持超大規模數據中心，為此，他們正在他們的 FPGA 周圍添加硬件 CPU 子系統，”Jaros 說。“我認為 eFPGA 不會影響英特爾和賽靈思，因為它們正在銷售具有大量功能的大型、昂貴的 FPGA。”

他補充說，eFPGA 業務非常互補。“我們已經與賽靈思和英特爾的人員進行了交談，他們根本沒有發現任何沖突。” 這也是因為對可重構性的要求跨越了廣泛的行業領域，因此與傳統的 FPGA 公司可能不會有太大的沖突。

圖 3eFPGA IP 供應商認為與傳統 FPGA 公司沒有太大沖突。資料來源：Flex Logix

推動 eFPGA 業務發展的另一個因素是希望控制其供應鏈的公司。他們可能擁有自己的 MCU 或 ASSP，并圍繞這些 MCU 或 ASSP 構建了軟件堆棧。因此，通過添加某種程度的 eFPGA 可重構性，他們可以交換安全算法或專有代碼。

eFPGA IP 可從多個供應商處獲得，雖然這些 IP 的集成度相對更高，但 FPGA 的密度開始對某些應用有意義。另一件使鐘擺轉向 eFPGA 的事情是轉向更小的工藝節點。Flex Logix 在支持從 180 nm 到 5 nm 的工藝節點的同時，目前一直從事芯片設計一直到 3 nm。

“我們看到越來越多的人愿意為了可配置性而犧牲一點面積，”Jaros 總結道。“因此，在未來 5 到 10 年內流片的絕大多數芯片都將具有一定程度的 eFPGA 內容。” 快速發展的標準和獨特的 AI 算法支持這種敘述，以及隨后 eFPGA 在不久的將來的承諾。

編輯：fqj