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技术趋势:现在是发展eFPGA技术的时候了

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未来物联网   发表于 2018-1-14 12:25:22   查看: 253 帖子
嵌入式FPGA(eFPGA)技术并不是一个新的概念。事实上,几十年来它已经以各种形式的实现方式存在。那为什么这个技术突然得到这么多的关注?答案在于半导体行业内两个基本经济趋势出现了交汇点。
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图1、eFPGA增加了芯片的灵活性
首先,每个新一代的工艺使得开发成本都在急剧上升。这些都是由抽象设计本身越来越复杂以及实际SoC器件中这些设计的物理实现所驱动的,并且包括诸如软件工具,工程时间和掩模成本之类的事项。
其次(反过来说),这些新工艺使得器件的单位功能成本一直在下降。例如,二三十年前,FPGA门电路相对昂贵,所以FPGA器件倾向于用于原型设计和预生产设计中,而不是大批量生产的产品中应用,因此设计师试图将FPGA门电路增加到ASIC的设计中,通常会导致ASIC总体管芯的尺寸和复杂性增加,直到这种新的混合器件变得太昂贵而不切实际。
现在不再是这样了。
相反,SoC设计所涉及的高成本增加了没有相应产品来满足特定市场需求的风险,并且FPGA门的相对较低的成本意味着嵌入FPGA技术可以获得一定程度的设计灵活性(从而减少市场风险),因此具有经济意义。
eFPGA技术的好处

但是,除了解决这两个关键经济趋势所带来的挑战之外,基于eFPGA的设计方法还有其它一些潜在的好处。例如,通过将eFPGA IP与SoC中的其他功能模块放置在相同的硅芯片上,可以实现低功耗,低延迟以及与其余设计部分的高带宽连接。这样做的结果是,具有嵌入式FPGA(eFPGA)模块的ASIC与单纯的ASIC 加 分立式FPGA的解决方案相比,具有更低的功耗,更高的性能,更低的成本以及更少的电路板面积,并且同时仍然保持了设计的灵活性。
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图2、eFPGA的应用
eFPGA的另一个优势是eFPGA的可重新编程特性使设计团队能够轻松地将他们的SoC适应新的,快速变化的或者稍微不同的市场需求,从而延长了产品在市场上的时间,增加了收入,毛利润率,和产品的整体盈利能力。当SoC-with-eFPGA可以特别有效时,包括快速支持新的或者不断发展的接口标准,添加新功能以快速解决新兴的竞争威胁,或者为高度分散的市场例如物联网(IoT)创造多种形式和种类的产品。
最后,将eFPGA技术添加到SoC设计中可以提高总体设计性能,同时降低总功耗。某些功能在FPGA逻辑中具有更高的性能或者更高的功率效率,特别是就像现在在大多数SoC设计中所发现的那样如果它们需要片上处理器的灵活性时尤其如此。此外,通过采用大多数嵌入式FPGA技术的可重新编程特性,设计工程师可以创建基于硬件的解决方案,可以对其进行重新配置以适应特定的问题,进一步提高设计性能并降低功耗。
实施考虑

为了最有效地获得嵌入FPGA(eFPGA) IP的好处,设计团队必须考虑其eFPGA实现的各个方面。首先考虑的是综合工具与其余设计流程之间的集成质量。综合工具应该明确地支持eFPGA架构,并且应该能够生成用于高效设计实现的最佳设计网表。例如,QuickLogic与Mentor公司合作为eFPGA技术提供的设计和开发环境,尤其是Mentor的Precision Synthesis软件,该软件经过优化,可以支持该公司的eFPGA IP中使用的QuickLogic ArcticPro架构。
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图3、eFPGA的架构
合成在设计过程中起着关键的作用,因为它对设计结果的质量(QoR,quality of result )影响最大。 QoR度量是多维度的 - 它可能是频率,面积和功率的函数,取决于用户的设计要求。综合工具目前支持符合行业标准的HDL语言,如Verilog,SystemVerilog(SV2009)和VHDL(VHDL-2008),以便于实现设计输入体的灵活性。而且,为了获得最佳QoR,综合工具必须对目标架构有深入的了解,才能最佳地映射架构中可用的资源。
设计流程中的第二个考虑因素是eFPGA本身实现的软件质量,因为它将最终确定SoC器件的效率,性能和成本。 FPGA体系结构及其相关的开发工具倾向于共同演化,因为其中的变化会对另一个产生巨大的影响。因此,那些已经出货数百万单元的FPGA,拥有几十年开发软件的公司已经可以提供良好的eFPGA IP /软件解决方案,这些软件/IP用于为成千上万的真实世界的应用提供设计支持。
在某些情况下,有经验的FPGA供应商也学会了如何有效地将eFPGA技术集成到他们自己的SoC器件中,这使得他们可以通过充当自己的技术客户来进一步完善他们的eFPGA IP产品。例如,QuickLogic开发了一款适用于可穿戴,可穿戴和物联网应用的传感器处理SoC(图1)。该器件包括eFPGA技术,因为公司已经了解到,具有可编程逻辑模块将使其客户能够快速实施新的传感器处理算法和接口标准。
作为eFPGA工具本身的用户,QuickLogic工程师可以快速了解他们需要什么工具以及如何最佳地优化eFPGA的设计实施流程。一路上,他们遇到了各种问题并加以解决,最终创建了成功的eFPGA IP集成所必需的全套工具和设计文件。
这些工具生成的一些文件包括器件的分站文件,反标注文件和布局数据。器件的封装文件是一个网表,它定义了eFPGA“黑匣子”端口以及它们如何连接到SoC设计的其余部分。反向注释文件提供了对设计验证过程至关重要的库和时间信息。布局数据包括设计团队可以用来实例化的物理设计模块的物理布局信息。
在AI(人工智能),物联网(IoT),安全和其他应用中使用的eFPGA

SoC明显可以用于广泛的应用中,添加嵌入式FPGA技术仅扩展潜在的用例集。但是,有些应用中的SoC-with-eFPGA解决方案提供了比传统SoC更为显著的优势。
我们已经说明了传感器处理,其中EOS S3 SoC的嵌入式FPGA(eFPGA)部分使得快速传感器算法和接口更新得以实现,而无需采用将新版本的器件。与云基础设施相关的语音处理是人机交互方面的又一个重大进展,能够快速,轻松地为支持“智能扬声器”产品的生态系统如亚马逊的Alexa中添加新的触发词。
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图4、eFPGA适合在物联网中的应用
高度分散的物联网(IoT)市场是eFPGA技术可以带来实质性收益的另一个好例子。物联网(IoT)的整体市场是巨大的,但个别应用很少有自己的大量市场需求。因此,SoC设计人员采用基于平台的方法是合理的,因为他们的“基础”器件设备实现了每个应用程序所有共同的功能。然后,eFPGA技术可用于快速,经济高效地创建多种产品变体,以满足特定的应用需求。也可以解决突然出现的新应用,而不用花费重新设计ASIC相关的时间和成本。
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图5、eFPGA的开发需要好的开发工具
包括大数据和深度学习的机器学习几乎所有的应用都可以利用大多数eFPGA解决方案提供的可重构特性。 eFPGA模块中的硬件可以根据需要进行配置和重新配置,以便宜和高效地解决当今计算机遇到的一些最复杂的问题。
另一个很好的例子,现在特别重要的是需要不断更新基于硬件的安全算法。随着新的安全漏洞或违规事件的发生,提供更新的防御解决方案变得至关重要 - 这些都非常适合SoC中的eFPGA硬件的应用。
eFPGA技术的未来

鉴于开发和单位成本趋势将使嵌入式FPGA技术对SoC设计团队更具吸引力,eFPGA IP的未来将非常光明。然而,与所有复杂的技术一样,也存在一些挑战。其中的一个挑战就是一个规模尺寸并不适合所有的如此众多的eFPGA IP体系结构,规模和技术的许多可能组合以及跨不同代工厂和工艺节点的SoC实现。还有一些潜在的集成问题与需要不同数量的金属层,管理时钟域边界以及协调不同的电源管理方案有关。
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图6、eFPGA在SOC中的位置
尽管现在eFPGA技术已经有了多种形式,但市场正在从早期采用阶段转向主流阶段。 这一趋势只会在短期内加速。 示例应用程序和最终产品正在变得更容易找到,eFPGA技术的应用范围包括从移动设备,可听诊断,可穿戴设备和物联网(IoT)到大数据和通信中心,再到可重构计算平台,再到基于云的人工智能。
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图7、eFPGA产品
但是,只有当可编程逻辑在SoC内高效集成时,eFPGA技术才会成功。 这需要技术,架构和软件工具的正确组合,以便开发团队拥有完整有效的设计流程,使他们能够从概念到工作芯片,再到后期制造的市场调整和准备发运的产品等工序的成功无缝移植。
(完)
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