Vereenvoudiging van het ontwerp met ingebouwde FPGA-technologie

De eFPGA-technologie is erg generiek en werkt als een kant-en-klaar product FPGA-chip om logische herconfigureerbare ASIC- en SoC-ontwerpen mogelijk te maken.

De tijd voor embedded FPGA (eFPGA) is eindelijk aangebroken, en dat blijkt uit het bereik in chips voor draadloze infrastructuur, kunstmatige intelligentie (AI), slimme opslag en zelfs kostengevoelige microcontrollers. Als een System on Chip (SoC)-subsysteem, net als een CPU of DSP, herconfigureert het dynamisch de hardwarelogica met groottes variërend van 1.000 tot 500.000 opzoektabellen (LUT's).

Voor een uitkijkpunt over deze opkomende programmeerbare technologie, EDN sprak met Andy Jaros, VP van IP-verkoop, marketing en oplossingsarchitectuur bij Flex Logix Technologies. Flex Logix, opgericht in 2014 als een IP-bedrijf, claimt FPGA-weefsel met hoge dichtheid te leveren om de herconfigureerbare logica te vergemakkelijken zonder dat ontwerpingenieurs gigantisch werk hoeven uit te voeren.

We begonnen de discussie door Jaros te vragen naar de oorsprong van deze technologie. Jaros is een veteraan in de halfgeleiderindustrie met een carrièrepad dat zich uitstrekt van Arm en ARC tot Motorola en Synopsys.

Geschiedenis:niet zo snel

Het idee van eFPGA heeft een bewogen geschiedenis die teruggaat tot de jaren negentig. Mensen in de halfgeleider hebben het al lang over het opnemen van LUT's in ASIC's om extra flexibiliteit te krijgen. In tegenstelling tot FPGA's die werden geleverd met robuuste toolchains, was het gebrek aan tools echter een groot struikelblok bij het implementeren van embedded FPGA IP in chips.

Jaros herinnert zich dat er al tientallen jaren beweringen zijn over het maken van eFPGA-stof. "Sommige mensen bij oude halfgeleiderbedrijven zeggen dat ze dat zo'n 20 tot 30 jaar geleden deden, maar de manier waarop ze embedded FPGA implementeerden nam een ​​groot gebied in beslag."

Traditionele FPGA's gebruiken een mesh-interconnect en 80% van het gebied in een FPGA wordt ingenomen door de interconnect. Mede-oprichter van Flex Logic, Cheng Wang, ontwikkelde een hiërarchische interconnect die de helft van het gebied in beslag neemt in vergelijking met mesh-interconnect. Dat biedt op zijn beurt aanzienlijke gebieds- en kostenvoordelen. De eFPGA IP-leverancier beweert ook 90% benutting van zijn interconnect te behalen; aan de andere kant, met mesh-interconnectie die wordt gebruikt in discrete FPGA's, zien we een gebruik van bijna 70%.

Figuur 1:Een eFPGA kan eenvoudig worden geoptimaliseerd voor verschillende busformaten. Bron:Flex Logix

Aanwezig:de zaken gaan goed

De eFPGA-technologie is erg generiek omdat de ondersteuning zich uitstrekt van zeer kleine instanties tot zeer grote instanties voor verschillende toepassingen. Een eFPGA, die werkt als een kant-en-klare FPGA-chip, kan binnen enkele dagen arrays van elke grootte leveren.

"We krijgen veel grip bij ASIC-bedrijven", zei Jaros. "De integratie van FPGA-functionaliteit in ASIC verbetert de prestaties en vermindert het stroomverbruik en de kosten op systeemniveau." Hierdoor kunnen ontwerpingenieurs FPGA helemaal afschaffen of een goedkopere FPGA gebruiken, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

Jaros merkte ook op dat systeembedrijven, die traditioneel FPGA's gebruiken, samen met hun ASIC-partners eFPGA-IP's beginnen te verkennen. Hierdoor kunnen systeemhuizen op de lagere niveaus van de middelste stapel blijven. Bovendien, terwijl de marktvereisten snel veranderen, kunnen systeemhuizen zoals OEM's in de auto-industrie en tier 1's geen jaar wachten om nieuwe functies toe te voegen. "Daarom is enige RTL-configureerbaarheid logischer dan 10 jaar geleden."

Dan zijn er geavanceerde MCU's die hardwareversnellers beginnen op te nemen, of het nu gaat om neurale netwerk-AI-verwerking of eigen codeversnelling. Deze scenario's gebruiken doorgaans 16.000 tot 20.000 LUT's. Vervolgens ziet Jaros meer interesse van mixed-signal bedrijven. "Het enige dat aan de digitale kant verandert, zijn de staatsmachines", zegt Jaros. "Dus, mixed-signal ontwerpers kijken naar eFPGA's om een ​​niveau van configureerbaarheid voor de state machine toe te voegen zonder te hoeven investeren in een MCU en volledige software tool flow."

Afbeelding 2:De eFPGA van Flex Logix is ​​gebaseerd op EFLX 4K, een tegel die in twee versies wordt geleverd:alle logica of meestal logica met enkele meervoudige accumulatoren (MAC's). Bron:Flex Logix

Toekomst:concurrentie met discrete FPGA's

De algemene perceptie over de eFPGA-business is dat het een bedreiging zal vormen voor het zelfstandige FPGA-segment. Wat Intel en Xilinx echter doen, is het ontwikkelen van complexe producten. "Intel en Xilinx gaan naar de grotere FPGA-ruimte om hyperscale datacenters te ondersteunen, en daarvoor voegen ze hardware-CPU-subsystemen toe rond hun FPGA's," zei Jaros. "Ik zie niet dat eFPGA invloed heeft op Intel en Xilinx, aangezien ze grote, dure FPGA's met veel functionaliteit verkopen."

Hij voegde eraan toe dat de eFPGA-activiteiten zeer complementair zijn. "We hebben met Xilinx en Intel-mensen gesproken en ze zien helemaal geen conflicten." Dat komt ook omdat de vereisten voor herconfigureerbaarheid zich uitstrekken over een breed scala van industriesegmenten en als gevolg daarvan is er misschien niet veel conflict met traditionele FPGA-bedrijven.

Figuur 3:De eFPGA IP-leveranciers zien niet veel van een conflict met traditionele FPGA-bedrijven. Bron:Flex Logix

Een andere factor die de eFPGA-activiteiten aandrijft, zijn bedrijven die hun toeleveringsketen willen controleren. Ze kunnen hun eigen MCU's of ASSP's hebben waarrond ze softwarestacks hebben gebouwd. Dus door een zekere mate van herconfigureerbare eFPGA toe te voegen, kunnen ze beveiligingsalgoritmen of bedrijfseigen code verwisselen.

De eFPGA IP's zijn verkrijgbaar bij meerdere leveranciers, en hoewel deze IP's relatief meer integratief zijn, begint de dichtheid van FPGA logisch te worden voor bepaalde toepassingen. Het andere dat de slinger heeft verschoven ten gunste van eFPGA's, is de verschuiving naar kleinere procesknooppunten. Flex Logix ondersteunt procesknooppunten van 180 nm tot 5 nm, maar houdt zich momenteel bezig met chipontwerpen tot 3 nm.

"We zien meer bereidheid om een ​​klein beetje ruimte in te ruilen voor configureerbaarheid", concludeerde Jaros. "Dus een overgrote meerderheid van chips die in de komende vijf tot tien jaar zullen verdwijnen, zullen een zekere mate van eFPGA-inhoud hebben." De snel veranderende standaarden en unieke AI-algoritmen ondersteunen dit verhaal en vervolgens de belofte van eFPGA in de nabije toekomst.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite , EDN.

---

Verwante inhoud:

• Qumu MCU en eFPFA-ontwikkelkit passen in USB-poort
• QuickLogic heeft nieuwe automatische tool voor het maken van eFPGA
• Open-source tools helpen FPGA-programmering te vereenvoudigen
• FPGA's zijn gericht op edge AI-computerontwerpen
• Ingesloten ontwerp met FPGA's:hardwarebronnen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.