Vereinfachtes Design mit eingebetteter FPGA-Technologie

Die eFPGA-Technologie ist sehr allgemein gehalten und funktioniert wie ein Standardprodukt FPGA-Chip für logische Rekonfigurierbarkeit von ASIC- und SoC-Designs.

Die Zeit für eingebettetes FPGA (eFPGA) ist endlich gekommen, und das zeigt sich an seiner Reichweite in Chips, die für drahtlose Infrastrukturen, künstliche Intelligenz (KI), intelligenten Speicher und sogar kostensensible Mikrocontroller dienen. Als System-on-Chip (SoC)-Subsystem – genau wie eine CPU oder ein DSP – rekonfiguriert es die Hardwarelogik dynamisch mit Größen von 1.000 bis 500.000 Look-Up-Tables (LUTs).

Um einen Einblick in diese aufkommende programmierbare Technologie zu erhalten, EDN sprach mit Andy Jaros, VP of IP Sales, Marketing and Solution Architecture bei Flex Logix Technologies. Flex Logix wurde 2014 als IP-Unternehmen gegründet und behauptet, eine FPGA-Struktur mit hoher Dichte bereitzustellen, um die Rekonfigurierbarkeit der Logik zu erleichtern, ohne dass Designingenieure Herkulesarbeit leisten müssen.

Wir begannen die Diskussion, indem wir Jaros nach den Ursprüngen dieser Technologie fragten. Jaros ist ein Veteran der Halbleiterindustrie mit einem Karriereweg, der von Arm und ARC bis hin zu Motorola und Synopsys reicht.

Geschichte:Nicht so schnell

Der Begriff eFPGA hat eine wechselvolle Geschichte, die bis in die 1990er Jahre zurückreicht. Die Leute in der Halbleiterbranche sprechen seit langem davon, LUTs in ASICs zu integrieren, um zusätzliche Flexibilität zu gewinnen. Im Gegensatz zu FPGAs, die mit robusten Toolchains ausgestattet waren, war der Mangel an Tools jedoch ein großer Stolperstein bei der Implementierung von eingebettetem FPGA-IP in Chips.

Jaros erinnert sich, dass es seit Jahrzehnten Behauptungen über die Entwicklung von eFPGA-Fabric gab. „Einige Leute bei alten Halbleiterunternehmen sagen, dass sie dies vor 20 bis 30 Jahren getan haben, aber die Art und Weise, wie sie eingebettetes FPGA implementiert haben, nahm einen großen Raum ein.“

Herkömmliche FPGAs verwenden eine Mesh-Verbindung, und 80 % der Fläche in einem FPGA werden von der Verbindung eingenommen. Cheng Wang, Mitbegründer von Flex Logic, entwickelte einen hierarchischen Interconnect, der im Vergleich zu Mesh-Interconnect die Hälfte der Fläche einnimmt. Das wiederum bietet erhebliche Flächen- und Kostenvorteile. Der eFPGA-IP-Anbieter behauptet auch, eine Auslastung von 90 % seiner Verbindungen zu erreichen; Andererseits sehen wir bei Mesh-Interconnects, die in diskreten FPGAs verwendet werden, eine Auslastung von fast 70 %.

Abbildung 1:Ein eFPGA lässt sich einfach für verschiedene Busgrößen optimieren. Quelle:Flex Logix

Gegenwart:Das Geschäft läuft gut

Die eFPGA-Technologie ist sehr allgemein gehalten, da ihre Unterstützung von sehr kleinen Instanzen bis hin zu sehr großen Instanzen für verschiedene Anwendungen reicht. Ein eFPGA, das wie ein handelsüblicher FPGA-Chip funktioniert, kann innerhalb weniger Tage Arrays jeder Größe liefern.

„Wir bekommen viel Zuspruch mit ASIC-Unternehmen“, sagte Jaros. „Die Integration der FPGA-Funktionalität in ASIC verbessert die Leistung und reduziert den Stromverbrauch und die Kosten auf Systemebene.“ Das ermöglicht Designingenieuren, je nach Anwendungsanforderung ganz auf FPGA zu verzichten oder ein günstigeres FPGA zu verwenden.

Jaros stellte auch fest, dass Systemunternehmen, die traditionell FPGAs verwendet haben, beginnen, zusammen mit ihren ASIC-Partnern eFPGA-IPs zu erforschen. Es ermöglicht Systemhäusern, auf den unteren Ebenen des mittleren Stapels zu bleiben. Während sich die Marktanforderungen schnell ändern, können Systemhäuser wie Automobil-OEMs und Tier-1-Unternehmen kein Jahr warten, um neue Funktionen hinzuzufügen. „Daher ist eine gewisse Konfigurierbarkeit von RTL sinnvoller als noch vor 10 Jahren.“

Dann gibt es High-End-MCUs, die beginnen, Hardwarebeschleuniger zu integrieren, sei es für die KI-Verarbeitung in neuronalen Netzwerken oder die Beschleunigung von proprietärem Code. Diese Szenarien verwenden normalerweise 16.000 bis 20.000 LUTs. Als nächstes sieht Jaros mehr Interesse von Mixed-Signal-Unternehmen. „Das einzige, was sich auf der digitalen Seite ändert, sind die Zustandsautomaten“, sagt Jaros. „Also suchen Mixed-Signal-Designer nach eFPGAs, um ein Maß an Konfigurierbarkeit für die Zustandsmaschine zu schaffen, ohne in eine MCU und einen vollständigen Software-Tool-Flow investieren zu müssen.“

Abbildung 2:Das eFPGA von Flex Logix basiert auf EFLX 4K, einer Kachel, die in zwei Versionen erhältlich ist:vollständig logisch oder hauptsächlich logisch mit einigen Multiply-Akkus (MACs). Quelle:Flex Logix

Zukunft:Konkurrenz mit diskreten FPGAs

Die allgemeine Auffassung über das eFPGA-Geschäft ist, dass es eine Bedrohung für das eigenständige FPGA-Segment darstellen wird. Was Intel und Xilinx jedoch tun, ist die Entwicklung komplexer Produkte. „Intel und Xilinx bewegen sich in den größeren FPGA-Bereich, um Hyper-Scale-Rechenzentren zu unterstützen, und fügen dafür Hardware-CPU-Subsysteme um ihre FPGAs hinzu“, sagte Jaros. „Ich sehe keine Auswirkungen von eFPGA auf Intel und Xilinx, da sie große, teure FPGAs mit vielen Funktionen verkaufen.“

Er fügte hinzu, dass das eFPGA-Geschäft sehr komplementär ist. „Wir haben mit Leuten von Xilinx und Intel gesprochen, und sie sehen überhaupt keine Konflikte.“ Das liegt auch daran, dass sich die Anforderungen an die Rekonfigurierbarkeit über ein breites Spektrum von Industriesegmenten erstrecken und daher möglicherweise keine großen Konflikte mit traditionellen FPGA-Unternehmen bestehen.

Abbildung 3:Die eFPGA-IP-Anbieter sehen keinen großen Konflikt mit traditionellen FPGA-Unternehmen. Quelle:Flex Logix

Ein weiterer Faktor, der das eFPGA-Geschäft antreibt, sind Unternehmen, die ihre Lieferkette kontrollieren wollen. Sie haben möglicherweise ihre eigenen MCUs oder ASSPs, um die herum sie Software-Stacks gebaut haben. Durch Hinzufügen einer gewissen Rekonfigurierbarkeit von eFPGAs können sie also Sicherheitsalgorithmen oder proprietären Code austauschen.

Die eFPGA-IPs sind von mehreren Anbietern erhältlich, und obwohl diese IPs relativ integrativer sind, macht die Dichte von FPGAs für bestimmte Anwendungen allmählich Sinn. Die andere Sache, die das Pendel zugunsten von eFPGAs verschoben hat, ist die Hinwendung zu kleineren Prozessknoten. Flex Logix unterstützt zwar Prozessknoten von 180 nm bis 5 nm, beschäftigt sich jedoch derzeit mit Chipdesigns bis hin zu 3 nm.

„Wir sehen eine stärkere Bereitschaft, ein wenig Platz gegen Konfigurierbarkeit einzutauschen“, schloss Jaros. „Die überwiegende Mehrheit der Chips, die in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen werden, wird also einen gewissen eFPGA-Inhalt haben.“ Die schnelllebigen Standards und einzigartigen KI-Algorithmen unterstützen diese Erzählung und damit das Versprechen von eFPGA in naher Zukunft.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite veröffentlicht , EDN.

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