嵌入式FPGA概念正在不斷興起

在硬件加速器應(yīng)用中，FPGA常被視為最優(yōu)解，提供極致加速性能的同時(shí)，還具備重新編程的能力。盡管其靈活性成了FPGA的一大特色，但大批量生產(chǎn)FPGA的價(jià)格可不低。此外，F(xiàn)PGA作為傳統(tǒng)的處理器加速方案，工程師必須要解決空間、I/O延遲和帶寬之類的問題。

而近些年來，eFPGA（嵌入式FPGA）的概念正在不斷興起。與將芯片與必要的I/O和電源管理電路封裝在一起的FPGA不同，eFPGA推行的是賣IP模式。任何廠商都可以將這些eFPGA IP放入自己的定制IC產(chǎn)品內(nèi)，無論是ASIC、SoC還是SiP。也正因?yàn)閑FPGA的種種優(yōu)勢，國外不少廠商都想借eFPGA率先搶占市場。

Flex Logic

Flex Logic作為最早入局eFPGA的企業(yè)之一，已經(jīng)投入了7年的研發(fā)，且eFPGA在2020年正式開始盈利，并與Dialog、大唐電信和波音等企業(yè)達(dá)成了合作。Flex Logic的EFLX eFPGA IP基本已經(jīng)覆蓋了主流的成熟工藝，比如Sandia美國國家實(shí)驗(yàn)室的180nm、格芯的12nm以及臺積電的40nm、28/22nm、16/12nm，已完成了十?dāng)?shù)種芯片的流片。不僅如此，F(xiàn)lex Logic宣稱格芯的22FDX和臺積電的7/6nm也已經(jīng)在設(shè)計(jì)階段，下一步就是進(jìn)軍5nm。

在Flex Logic看來，傳統(tǒng)獨(dú)立FPGA芯片+SoC的方案所需的功率太大，且多數(shù)需要高速SERDES或PCIe與其他芯片進(jìn)行I/O互聯(lián)。這種方案不僅功率過大，也因?yàn)镾ERDES/PHYS的存在帶來了一定的面積成本，而eFPGA卻可以做到低功耗、低成本和小面積，并將100K LUT塞入復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)中。而且在繼承了FPGA可編程的特性后，即便是已經(jīng)安裝完成的產(chǎn)品，EFLX核心也可以用來升級I/O協(xié)議、改變加密算法等等。

eFPGA在重構(gòu)時(shí)間上同樣具備優(yōu)勢，因而在復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中更為適用。比如Flex Logic的AI推理芯片，InferX X1，在測試中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型層級的動(dòng)態(tài)重構(gòu)只需6微秒。這使得InferX X1在具備ASIC性能的同時(shí)，也能對新的模型做出動(dòng)態(tài)化處理，非常適合作為主處理器的加速器或協(xié)處理器，用于要求低功耗高性能的邊緣AI市場。

這樣的動(dòng)態(tài)重構(gòu)也為eFPGA帶來了更多的應(yīng)用方向，比如自動(dòng)駕駛中的傳感器融合方案，針對激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和視覺等不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。還有不同的PWM頻率要求的多電機(jī)方案，在其中提供電機(jī)控制器支持。亦或是需要多不同指令集架構(gòu)的CPU進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，比如ARM、RISC-V和ARC等。

Achronix

同樣踏足eFPGA市場的還有美國公司Achronix。Achronix的Speedcore可以做到750MHz的峰值頻率，且已經(jīng)支持了臺積電16nm、12nm和7nm三個(gè)成熟制程節(jié)點(diǎn)，也可以移植到其他節(jié)點(diǎn)上。

Achronix非常看好eFPGA在汽車市場的機(jī)遇，尤其是當(dāng)下汽車開發(fā)周期縮短，又要支持10年以上的生命周期。我們以特斯拉這種開始走自研ASIC方向的廠商為例，與其他現(xiàn)成組件相比，雖然需要投入一定的開發(fā)成本，但ASIC提供的整體成本和性能都是最優(yōu)的。與此同時(shí)，選擇ASIC路線也帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

首先，ASIC方案必須要對自己的方案有著清楚的認(rèn)知。特斯拉的FSD ASIC開發(fā)歷時(shí)近三年，如果這之后攝像頭ISP需要更新，GPU需要支持浮點(diǎn)而不是FP32，都需要對ASIC架構(gòu)的大改，很可能會進(jìn)一步延長后續(xù)車型的生產(chǎn)，這也是為何少有汽車廠商選擇該技術(shù)路線的原因。而將eFPGA IP集成在ASIC中，就為這些廠商提供了FPGA的嵌入式硬件編程能力，又不會像獨(dú)立FPGA那樣加大成本和功率。

小結(jié)

eFPGA還有不少優(yōu)勢，比如在加密和保護(hù)上，不僅可以支持各種加密算法，也可以保護(hù)IP資產(chǎn)被逆向工程。雖然幾年前剛面世之際，eFPGA還是一個(gè)不成熟的技術(shù)，并沒有在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生多大的吸引力。隨著幾年的發(fā)展下來，經(jīng)過晶圓廠的生產(chǎn)認(rèn)證，設(shè)計(jì)流程和軟件的完善，加上AI和自動(dòng)駕駛的興起，eFPGA已經(jīng)成了一個(gè)可行的方案。但在ARM的IP廠商的前人經(jīng)驗(yàn)下，eFPGA能否真正崛起，還需要等待更多的市場驗(yàn)證。

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