2019年01月21日 | 小科普—什么是eFPGA

eFPGA，全称为嵌入式FPGA（Embedded FPGA），顾名思义是将类似于FPGA的可编程逻辑阵列“嵌入”到ASIC或SoC中在本文中，作者收集整理了几个关于eFPGA的常见迷思，以及对应的解答和讨论，谨供各位读者参考。

eFPGA性能指标相关的迷思

1. eFPGA的工作频率能否达到我的设计要求？

和ASIC相比，绝大多数的FPGA设计都无法达到同样的运行频率。其实，FPGA并非以高时钟频率取胜，FPGA的高性能主要是通过极高的硬件并行处理能力、深度流水线、以及高位宽总线等方式取得。

嵌入式FPGA，即eFPGA的本质也是可编程逻辑阵列，因此单就运行频率而言并不能和ASIC相比。

不过，业界和学术界也在不断研究如何突破FPGA的频率限制，例如，英特尔在新一代的高端FPGA产品Stratix10中采用了HyperFlex架构，如下图所示，在可编程逻辑单元之间引入了多个寄存器阵列，可以将FPGA的运行速度增加1.5~2倍。

作者对FPGA进行简单的“超频”操作就可以极大提高FPGA的性能，代价仅仅是出现概率极小的精度损耗。

2. eFPGA的功耗会不会太大？

这个问题的答案应该是否定的。不仅如此，eFPGA的功率密度通常远低于FPGA，或者ASIC与SoC上的其他IP。

对于传统的FPGA而言，它主要的“功耗大户”之一是FPGA的可编程I/O部分。而eFPGA直接通过芯片上总线与ASIC的其他IP相连，直接去掉了原FPGA的I/O部分，从而将削减了大部分功耗。

另一方面，如上一个问题提到的，eFPGA的频率远低于ASIC或SoC上的其他IP，使得eFPGA的动态功耗相对较低。

3. eFPGA能否为我的设计提供足够的带宽？

同样的，对于传统FPGA设计而言，系统性能很多时候直接受到FPGA芯片的I/O引脚数量的限制。特别是对于很多通信、网络、高性能运算的应用而言，需要FPGA芯片提供大量高性能SerDes收发器以及通用I/O引脚，以便于外部系统进行数据交换和传输，而这通常受到芯片封装技术的限制。

与此相比，eFPGA没有引脚数量限制，因为它本质上就是集成在ASIC里的IP核。因此与FPGA相比，eFPGA与ASIC或SoC的通信带宽可以提升10倍以上。事实上，这也是eFPGA产生和使用的主要推动因素之一。

eFPGA不需要芯片与芯片间的连接，而是直接通过芯片上不同IP的连接进行通信，极大提升了通信带宽，并减少了通信延时，见下图。

4. 使用eFPGA会导致芯片面积过大？

ASIC或SoC工程师在第一次看到FPGA时通常会被FPGA芯片的大小吓到，因为通常FPGA芯片实在是太大了。可以看下图，感受一下FPGA与英特尔Atom通用处理器芯片大小的对比。

通常来讲，FPGA的主要芯片面积一半是可编程逻辑单元，另一半则是可编程的I/O及相关电路。可编程I/O是FPGA安身立命的法宝之一，它使得FPGA可以与包括微处理器、ASIC、存储器、以及其他FPGA在内的几乎其他任何芯片或系统相互通信。这也是为什么可编程I/O部分的芯片面积为何如此之大的原因。

与FPGA相比，eFPGA不需要实现可编程的I/O部分，因为与eFPGA相互通信的ASIC IP在设计时就已固定。当去掉了可编程I/O部分之后，对于同等逻辑密度的FPGA而言，eFPGA的芯片面积会极大缩减。

5. 使用eFPGA的成本会很高？

作者对成本方面的问题并不了解，但是，eFPGA的主要提供商之一，Achronix公司的市场部副总裁Steve Mensor称：使用eFPGA的成本“并不会比其他IP更贵”。

作者认为，使用成本应该从两个角度来看。第一是用户直接付出的金钱成本，即购买芯片或IP付出的金钱。另一个则是所购买的IP能提供的功能多样性，即实现某种功能所分摊的成本。对于FPGA或eFPGA而言，它们最强大的功能是可以实现不同的用户逻辑，并且在芯片流片后还能进行功能逻辑的修改，因此能大幅降低SoC和ASIC的开发风险，并提高设计的灵活性。

eFPGA开发相关的迷思

1. eFPGA的开发流程与传统ASIC或SoC的开发流程差别太大？

eFPGA的流程与传统FPGA、ASIC或SoC的开发流程并无二致，总结起来都是逻辑综合、布局布线、时序优化等。和FPGA相同，eFPGA开发完成后也会生成一个二进制配置文件（bitstream），用来对可编程逻辑进行配置。包含eFPGA的SoC开发流程如下图所示。

与其说与ASIC或SoC的开发流程不同，不如说是开发工具有很大差别，这样就引出了下一个问题。

 2. eFPGA的开发工具尚不成熟？

不管是对于FPGA设计，还是ASIC或SoC设计，开发工具一直是体现一个公司综合实力的精髓所在。

芯片开发工具可以大致分成两个层次，一个是用来设计芯片本身，主要是各大EDA公司如Cadence和Synopsys的软件套件，涵盖了芯片设计的各个阶段。另一个则是用来开发芯片应用的软件，例如用于FPGA开发的英特尔FPGA的Quartus Prime和Xilinx的Vivado等，这些软件决定了FPGA是否便于用户使用，因此是这些公司真正的“皇冠上的明珠”。

作为eFPGA厂商而言，提供便于使用且性能稳定的开发工具是必不可少的。这需要长期的技术积累，以及广泛的用户体验与反馈。作者相信，对eFPGA开发工具的研发，会是这些eFPGA厂商的重中之重。

3. eFPGA的开发难度太大？

在生产方面，eFPGA的开发和集成需要eFPGA厂商、ASIC或SoC集成商、以及晶圆代工厂紧密配合，保证在不同工艺节点eFPGA都能有效整合。然而，对于单纯的逻辑开发难度与周期而言，eFPGA与其他数字电路IP并无本质区别。

在eFPGA的配置和调试方面，也与传统FPGA没有太多区别。通过开发工具产生的eFPGA配置文件可以通过jtag或者flash等方式，对eFPGA进行功能配置。

结语

eFPGA作为一种存在许久的设计理念，在近年逐渐重新获得人们的关注。这主要是由于eFPGA能够提供更优的系统性能与更低的芯片功耗，因此被逐渐用于5G、机器学习加速器等诸多新兴领域。

eFPGA与FPGA二者同属可编程逻辑阵列，有着共同的架构和性能特点，但又有着不同的优势和缺点。作者认为，与其说eFPGA会替代FPGA，不如说eFPGA是FPGA的有力补充。相信在大数据和人工智能时代，这些可编程逻辑芯片一定会有着更加广阔的应用。