Embedded FPGA (eFPGA) technologie: ASIC en SoC ontwerp revolutionerend

De embedded FPGA (eFPGA) technologie is een hoogst aanpasbare oplossing die functioneert als een off-the-shelf FPGA-chip, wat logica herconfigureerbaarheid binnen ASIC's en SoC's mogelijk maakt.

Embedded FPGA is de mainstream productie binnengetreden, met zijn aanwezigheid die zich uitstrekt over draadloze infrastructuur, kunstmatige intelligentie, slimme opslag, en zelfs kosten-gevoelige microcontrollers. Als een SoC-subsysteem - vergelijkbaar met een CPU of DSP - herconfigureert het dynamisch hardware logica over een spectrum van groottes, van 1.000 tot 500.000 look-up tables (LUTs).

Om dieper inzicht te krijgen in deze opkomende programmeerbare technologie, sprak EDN met Andy Jaros, VP of IP Sales, Marketing and Solution Architecture bij Flex Logix Technologies. Gesticht in 2014, claimt Flex Logix high-density FPGA fabric te leveren die logica herconfigureerbaarheid vereenvoudigt zonder een zware engineering last te leggen.

We begonnen met het vragen aan Jaros over de wortels van deze technologie. Met een carrière die zich uitstrekt over Arm, ARC, Motorola en Synopsys, brengt Jaros een schat aan industrie-ervaring.

Geschiedenis: Een geleidelijke evolutie

Hoewel het idee van LUTs in ASICs insluiten teruggaat tot de jaren '90, strandde praktische adoptie door een gebrek aan robuuste tooling. Traditionele FPGA's vertrouwen op een mesh interconnect die ruwweg 80% van het siliciumoppervlak verbruikt. Flex Logix co-founder Cheng Wang adresseerde deze inefficiëntie door een hiërarchische interconnect te ontwikkelen die het oppervlak met de helft reduceert, wat substantiële kosten- en footprint-besparing biedt. Volgens het bedrijf bereikt zijn interconnect 90% benutting versus de 70% typisch voor mesh-ontwerpen.

Figuur 1: Een eFPGA kan eenvoudig geoptimaliseerd worden voor diverse busgroottes. Bron: Flex Logix

Heden: Sterke marktadoptie

Flex Logix's eFPGA IP is opmerkelijk generiek, ondersteunend een breed scala aan toepassingsgroottes. Omdat het zich gedraagt als een standalone FPGA, kunnen ontwikkelaars arrays van elke schaal in slechts een paar dagen provisioneren.

Jaros merkt groeiende interesse van ASIC-bedrijven op: "FPGA-functionaliteit direct in een ASIC integreren verbetert prestaties, vermindert vermogen, en verlaagt de totale systeemkosten." Dit stelt ontwerpteams in staat om dure discrete FPGA's te vervangen of ze volledig te elimineren, afhankelijk van de use case.

Systeemintegrators, traditioneel afhankelijk van discrete FPGA's, verkennen nu eFPGA IP in samenwerking met ASIC-leveranciers. Deze benadering houdt hen in de lagere lagen van de stack, wat functie-uitrol versnelt. "In automobiele OEMs en tier-1 leveranciers is de capaciteit om RTL configureerbaarheid toe te voegen veel waardevoller dan het tien jaar geleden was," observeert Jaros.

High-end MCU's die neurale-netwerk accelerators insluiten - typisch 16.000 tot 20.000 LUTs vereisend - keren zich ook tot eFPGA oplossingen. Mixed-signal ontwerpers kunnen nu een configureerbare state machine koppelen zonder de overhead van een volledige MCU en zijn software-ecosysteem.

Figuur 2: Flex Logix's eFPGA is gebaseerd op EFLX 4K, een tile die in twee versies komt: all-logic of mostly logic met een paar multiply-accumulate units (MACs). Bron: Flex Logix

Toekomst: Complementair aan discrete FPGA's

Er is een misverstand dat eFPGA de discrete FPGA-markt kanibaliseert. In realiteit richten Intel en Xilinx zich op large-scale, feature-rijke FPGA's voor data-center toepassingen, met bundeling van CPU-subsystemen en andere high-end mogelijkheden. "eFPGA dreigt hun kernbusiness niet," zegt Jaros. "Zij zien het als complementair, en we hebben geen conflict gevonden met traditionele FPGA-leveranciers."

Supply-chain controle is een andere drijfveer: fabrikanten met proprietaire MCU's of ASIC's kunnen eFPGA logica insluiten om beveiligingsalgoritmen of custom code te wisselen zonder de hele chip te herontwerpen.

Meerdere IP-leveranciers bieden eFPGA oplossingen aan, en naarmate procesknooppunten krimpen - van 180 nm naar 3 nm - zijn ontwerpers steeds meer bereid een bescheiden oppervlakstoename in te ruilen voor grotere configureerbaarheid. "We verwachten dat 90% van de chips die in de komende vijf tot tien jaar naar tape-out gaan, een vorm van eFPGA-inhoud zullen incorporeren," concludeert Jaros.

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

Gerelateerde inhoud:

• Qomu MCU en eFPGA dev kit past in USB-poort
• QuickLogic heeft nieuwe automatische eFPGA creatie tool
• Open-source tools helpen FPGA programmeren vereenvoudigen
• FPGA's richten zich op edge AI computing ontwerpen
• Embedded ontwerp met FPGA's: Hardware bronnen

Voor meer Embedded, abonneer u op de wekelijkse e-nieuwsbrief van Embedded.