標(biāo)準(zhǔn)FPGA資源豐富卻浪費(fèi)，看eFPGA怎樣實現(xiàn)“量體裁衣”？

FPGA 以計算速度快、資源豐富、可編程著稱，之前一直應(yīng)用于高速數(shù)字信號領(lǐng)域和 ASIC 驗證。隨著邏輯資源的豐富和編程工具的改進(jìn)，F(xiàn)PGA 在機(jī)器學(xué)習(xí)和硬件加速上得到越來越多的重視，目前數(shù)據(jù)中心已經(jīng)大量采用，大數(shù)據(jù)、云計算領(lǐng)域逐步采用 FPGA 器件。但是除了這些對計算能力和邏輯資源要求很高的應(yīng)用，市面上還有很多功能簡單的小型應(yīng)用，如果采用現(xiàn)有的“大而全”的 FPGA 產(chǎn)品，不僅價格昂貴，而且資源浪費(fèi)。于是有人想到了定制化服務(wù)，這樣可以讓工程師根據(jù)產(chǎn)品需求定制合適的 FPGA 產(chǎn)品，從而達(dá)到節(jié)約成本和功耗的目的，嵌入式 FPGA 有望解決這一問題。

最近，Achronix 為其 eFPGA IP 解決方案推出 Speedcore custom blocks 定制單元塊。其市場營銷副總裁 Steve Mentor 介紹，“Speedcore custom blocks 定制單元塊可以大幅度地提升性能、功耗和面積效率，并支持以前在 FPGA 獨立芯片上無法實現(xiàn)的功能。利用 Speedcore custom blocks 定制單元塊，客戶可以獲得 ASIC 級的效率并同時保持 FPGA 的靈活性，從而帶來了一種可以將功耗和面積降至最低、同時將數(shù)據(jù)流通量最大化的高效實現(xiàn)方式?！?/p>

通過兩層裁剪讓芯片面積縮小多達(dá) 6 倍
FPGA 用戶都指導(dǎo)，標(biāo)準(zhǔn) FPGA 不僅包含 FPGA 內(nèi)核中的邏輯設(shè)計、各種存儲器、DSP 以及布線，而且還包含內(nèi)核以外的可編程 I/O、SerDes 以及各種接口控制器，這就使得芯片資源豐富，但體積龐大，成本昂貴，因此要實現(xiàn)成本的縮減就要裁掉設(shè)計中不必要的資源。Achronix 的做法是進(jìn)行了兩層裁剪：

如圖所示，第一層裁剪將外部的可編程 I/O、SerDes 以及各種接口控制器進(jìn)行裁剪，只留下 FPGA 內(nèi)核，這樣面積可以縮小 50%。

如圖所示，裁剪掉外圍模塊以后，F(xiàn)PGA 內(nèi)核是否可以進(jìn)一步縮?。磕敲?，先從 FPGA 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)分析，Steve Mentor 指出，“Microsoft 在其有關(guān) Catapult 項目的白皮書中講了一種云規(guī)模的加速架構(gòu)，包括殼（shell）和應(yīng)用（Application），其中 shell 布局 IO 及與電路板相關(guān)的邏輯電路，應(yīng)用是核心邏輯，Shell 占據(jù)了 44%的總面積?！?/p>

Achronix 進(jìn)行了第二層裁剪，將 shell 去掉，剩下由用戶定義功能的 Speedcore custom blocks 定制單元塊，包含在 Speedcore 的可編程結(jié)構(gòu)中。經(jīng)過這道裁剪，芯片面積縮減高達(dá) 75%。

如何定義 Speedcore custom blocks 單元塊？
如何實現(xiàn)定義，這是很多用戶最關(guān)心的問題。Steve Mentor 解釋，“Achroinx 使用內(nèi)部工具來分析客戶的設(shè)計，以識別出可以用 Speedcore custom blocks 單元塊開進(jìn)行優(yōu)化的潛在功能，比如經(jīng)常使用的重復(fù)性功能，從而實現(xiàn)面積縮減、性能提高和功耗降低?，F(xiàn)在，Achronix eFPGA IP 產(chǎn)品在添加了 Speedcore custom blocks 定制單元塊以后，就使其在擁有可編程性的同時還能夠擁有 ASIC 級的性能以及高片芯面積效率?！?/p>

FPGA 設(shè)計中開發(fā)工具很關(guān)鍵，Achronix 也提供了 ACE 設(shè)計工具，可以全面支持 Speedcore custom blocks 定制單元塊，可以與存儲器和 DSP 單元塊相同的方式，提供從設(shè)計捕獲到比特流生產(chǎn)和系統(tǒng)調(diào)試等功能。

Achronix 為每個 Speedcore custom blocks 定制單元塊創(chuàng)建了一種獨有圖形化用戶接口（GUI），它可以管理所有的配置規(guī)則。ACE 擁有 Speedcore custom blocks 定制單元塊所有配置的完整的時序細(xì)節(jié)，支持 ACE 去完成各種設(shè)計基于時序的布局和布線。客戶可以用強(qiáng)大的版圖規(guī)劃器來優(yōu)化設(shè)計，并為所有的單元實例去制定局域或者定點的任務(wù)安排。ACE 還包括一個關(guān)鍵路徑分析工具，它可以支持客戶去分析時序?？蛻暨€可以使用 ACE 強(qiáng)大的 Snapshot 嵌入式邏輯分析儀，去創(chuàng)建復(fù)雜的觸發(fā)器并展示 Speedcore 內(nèi)的實時信號。

eFPGA 既然如此靈活，那么它是否會在未來代替 FPGA？Steve Mentor 表示，“目前來看，標(biāo)準(zhǔn) FPGA 的市場占有率大概是 80%，eFPGA 是 20%，復(fù)雜應(yīng)用的客戶中有人愿意在 ASIC 設(shè)計中加入 eFPGA，簡單應(yīng)用的客戶有些愿意用 eFPGA 來代替標(biāo)準(zhǔn) FPGA 完成設(shè)計，但是兩者針對的客戶群不同，會長期共存?！?/p>

“正是 eFPGA 的市場需求旺盛，Achronix 在 2017 年實現(xiàn)了強(qiáng)勁的銷售收入及業(yè)務(wù)增長，預(yù)計銷售將超過 1 億美元。與 TSMC 和做的 16nm 產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，7nm 產(chǎn)品預(yù)計在 2018 年上半年完成測試芯片和首批設(shè)計?！?Steve Mentor 補(bǔ)充。

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