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嵌入式 FPGA 技术发展现状及启示
冯园园，张倩
摘要：阐述并分析了嵌入式 FPGA 技术的起源、优势、现状、主要研发企业、应用前景等，并结合当前嵌入式 FPGA 技术的发展情况，总结了对我国的启示。内容包括 eFPGA 进一步发扬 FPGA 的灵活性优势，美国政府高度重视 eFPGA 的发展，初创公司加速推进 eFPGA 技术发展，eFPGA 市场应用前景巨大。
关键词：专用集成电路；嵌入式FPGA；系统级芯片
中图分类号：TN791 文章编号：1674-2583(2018)08-0001-04
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2018.08.001
中文引用格式：冯园园，张倩.嵌入式FPGA技术发展现状及启示[J].集成电路应用, 2018,35 (08): 1-4.
Study on Situation and Enlightenment of Embedded FPGA Technology
FENG Yuanyuan, ZHANG Qian
Abstract: This paper expounds and analyzes the origin, advantages, current situation, main R & D enterprises and application prospects of embedded FPGA technology, and summarizes the enlightenment to China based on the current development of embedded FPGA technology. The main contents include that eFPGA further enhances the flexibility of FPGA and the US government attaches great importance to the development of eFPGA. In addition, the paper also introduces the fact that startups have accelerated the development of eFPGA technology and the great prospects of eFPGA market.
Key words: application specific integrated circuit, embedded FPGA, system on chip
1 引言
随着集成电路复杂度的大幅提升和工艺的不断演进，集成电路产业迫切需要速度更快、成本更低的电路实现方法，嵌入式（embedded）现场可编程门阵列（FPGA），简称 eFPGA，应运而生。eFPGA 既可延续 FPGA 在电路设计中的灵活性，又可进一步降低芯片尺寸，未来应用预期巨大。
2 eFPGA 进一步发扬 FPGA 的灵活性优势
2.1 eFPGA 定义及优点
FPGA作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现，主要特点是其功能可完全由用户通过软件配置和编程实现，且可反复擦写。但传统 FPGA 在使用中存在一些缺点：在硬件加速应用中，用户无法按需所取，通常要浪费很多查找表（LUT）和外围资源；标准FPGA与中央处理器（CPU）或 ASIC 之间的接口存在高延迟，无法满足高性能计算的需求；使用灵活度仍不够，造成功耗和成本的浪费。eFPGA 则很好地克服上述缺点。
eFPGA 是指可作为知识产权（IP）模块集成到系统级芯片（SoC）中的 FPGA，可将 ASIC 设计的高效能和 FPGA 的灵活性结合在同一芯片中。与普通 FPGA 相比，eFPGA 具有以下优点：内部连线方式直接连接至 SoC，不再需要大型可编程输入/输出缓冲，接口延迟更低，性能更高，可大幅节省功耗和芯片面积；不需要支持 FPGA 多管脚的多层印刷电路板（PCB），不需要电源调节器、时钟发生器、电平位移器、无源元件和 FPGA 冷却器件等支撑性器件，可减小 PCB 的尺寸和层数，降低成本和功耗，减小系统体积，提高信号完整性及系统的可靠性和良品率；可给予用户更高的灵活度，既可根据应用需求来定义查找表、嵌入式存储器和数字信号处理器（DSP）的数量，定制芯片面积、功耗和资源配置，也可选择工艺技术来实现性能平衡。
2.2 eFPGA 发展历程
2014 年美国加州大学洛杉矶分校的王成诚博士等人在国际固态电路会议上发表论文[1]，首次提出了 eFPGA 的思想。作者通过创造性地设计互联单元，一举解决了 FPGA 的功耗、性能和成本受布线资源限制的问题，使 FPGA 集成到 SoC 真正变为可能，该论文也因其突出贡献而获奖。随后，作者成立了美国 Flex Logix 公司，推广 eFPGA 的概念并促进商用化应用。随着 FPGA 设计和 IP 集成技术的不断成熟，eFPGA 成为近两年 FPGA 领域的重要研究热点之一。除了 Flex Logix 公司，美国 Achronix、和 QuickLogic 公司、法国 Menta 公司等多家初创企业积极投身该领域。2016 年 10 月，美国 Achronix 公司宣布推出全球首款 eFPGA IP 产品 Speedcore™ eFPGA，成为 FPGA 发展史上的一个重要里程碑。2017 年，eFPGA 的概念已经获得了业界的广泛认可，带来 eFPGA 技术的突破性增长。2018 年，eFPGA 技术的生态系统正迅速扩大。
3 美国政府高度重视 eFPGA 的发展
美国作为全球电子元器件技术最先进的国家，面对集成电路研发和制造成本的不断攀高，一直在寻找可快速实现集成电路的解决方案，自 eFPGA 出现就给予了高度关注。2017 年 1 月，在推动美国电子元器件技术发展上一直起主导作用的美国国防先期研究计划局（DARPA），与 Flex Logix 公司就其 EFLX eFPGA IP 签署授权使用协议。根据协议内容，基于该eFPGA IP 的芯片将由中国台湾台积电（TSMC）公司制造，并获准用于 DARPA 的任一合同商和美国政府机构为政府项目设计的芯片中。从 2016 年 10 月全球首款商用 eFPGA 产品上市到达成此次合作仅有三个月的时间，已经交付中国台湾地区的代工厂制造，可以看出 DARPA 对 eFPGA 技术优势的看重及对 eFPGA 技术安全性的信任。2017 年 10 月，美国桑迪亚国家实验室的多款产品也授权使用 Flex Logix 的 EFLX 可重配置逻辑 IP[2]。
4 初创公司加速推进 eFPGA 技术发展
美国 Achronix、Flex Logix、QuickLogic，法国 Menta 成为 eFPGA 发展的重要贡献者和推动力。这些公司基本采取三种商业模式和技术发展途径：一是同时提供 FPGA 和 eFPGA，代表公司为 Achronix；二是提供硬 IP eFPGA，代表公司为 Flex Logix 和 QuickLogic；三是提供软 IP eFPGA,代表公司为 Menta。
（1）Achronix 公司。Achronix 公司在2016 年 10 月推出全球首款 eFPGA IP 产品 Speedcore™ eFPGA，通过集成到 SoC 中，可使互联带宽增加 10倍、互联延迟减小至 1/10、功耗降低 50%、成本降低 90%；采用模块化构建方式，不仅可保证 Achronix 公司及客户在交付和使用该 eFPGA 中均具备足够的灵活性，还方便将其移植到不同的工艺技术和金属层上。2017 年 10 月，Achronix 公司为其 eFPGA IP 解决方案推出 Speedcore 定制单元块，使其 eFPGA IP 产品拥有 FPGA 灵活性的同时能具备 ASIC 级的性能，从而最大限度地降低功耗和面积，同时最大限度提高数据吞吐量，并支持此前在 FPGA 独立芯片上无法实现的功能[3]。例如，需要并行比较器阵列的大型字符串搜索功能在采用 Speedcore 定制单元块实现后，芯片面积可减少 90% 以上，可完全实现桶形移位器和二进制位处理结构，从而在同样的面积中实现更大的、更复杂的应用，提升可获得的频率。2018 年 1 月，Achronix 公司的 Speedcore eFPGA 完成了采用 TSMC 16 nm FinFET+ 工艺技术的量产验证，并依据严格的测试标准和采用自动测试设备（ATE）进行了全芯片完整功能的测试验证[4]，证实达到预期设计功能。Achronix 目前正在研发基于 TSMC 7 nm 工艺的 Speedcore eFPGA 产品[5]。
（2）Flex Logix 公司。2017 年 5 月，Flex Logix 公司推出了高性能 EFLX-2.5K IP 核，采用 TSMC 16FF+ 和 16FFC 工艺，支持超过 100K 个 LUT 的嵌入式 FPGA 阵列，简化现场可定制和可升级芯片的开发[6]。2017 年 7 月，Flex Logix 公司发布新的微控制器和 SoC 芯片关键代码示例，显示 EFLX 嵌入式 FPGA 将处理器性能提高 40～100 倍[7]。2017 年 10 月，Flex Logix 演示了基于 ARM 公司的 Cortex-M0 的微控制器概念设计，并使用 Silvaco 的外设与可重新配置的加速器及可重新配置的 I/O，该参考设计在 Flex Logix 的 TSMC 16FFC 验证芯片上实现，实现了 EFLX200K 阵列和大量随机存储器（RAM）[8]。2017 年11 月，Flex Logix 公司获得美国专利局颁发的 3 项 FPGA 的互连专利，新型互连设计让高密度、可移植、可扩展的 eFPGA 变得可行，使其可在六个月就能将它的 eFPGA 移植到一个新的工艺节点，并能取得与市场领先的 FPGA 芯片相似的逻辑密度。2018 年 6 月，Flex Logix 宣布将推出一款新的 EFLX eFPGA 核 EFLX1K，专为 40 nm 至 180 nm 工艺优化设计，提高可重配置逻辑密度。
（3）QuickLogic 公司。2016 年 11 月，QuickLogic 公司推出超低功耗 ArcticPro eFPGA IP授权计划，可用于格罗方德公司 65 nm 和 40 nm 工艺的设计中[9]。2017 年 3 月，QuickLogic 发布 Aurora 软件，用于评估在格罗方德公司工艺节点中设计的 ArticPro eFPGA IP[10]。2017 年 9 月，QuickLogic 公司率先推出基于中芯国际 40 nm 低漏电（40LL）工艺的易于实现、高度可靠和功耗极低的 ArcticPro eFPGA 技术，可为 SoC 开发人员提供高度的后期制造设计灵活性。2017 年 12 月，QuickLogic 与西门子业务部 Mentor® 合作为其 eFPGA 技术提供无缝设计及开发环境。2018 年 2 月，QuickLogic 宣布与电子设计验证领域的行业领导者美国 Aldec 公司合作开展 eFPGA 仿真流程[11]。
（4）Menta 公司。Menta 公司与上述三家相比，其最大的亮点是可移植性最好，因为其他三家公司提供的 eFPGA 都是硬核 IP，而 Menta 能够提供寄存器传输级（RTL）软核 IP，因此可以轻松移植到不同的工艺上。Menta 公司的 eFPGA 可用于各种互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，包括 TSMC 28 nm HPM/HPC+、意法半导体 28 nm FD-SOI 以及格罗方德公司 32 nm SOI 和 14LPP。2017 年 6 月，Menta 公司为支持 TSMC 28 nm 高性能紧凑型（28HPC+）工艺的 eFPGA 提供验证板，包含实现完整 eFPGA 设计流程所需的所有软件和硬件[12]。2017 年10 月，Menta 公司加入格罗方德公司的 FDXcelerator 合作伙伴计划，提供 eFPGA IP，以针对汽车应用的 22FDX SoC 设计实现新水平的内置硬件可编程性[13]。目前，Menta 正在推出他们的第四代 eFPGA IP。
5 eFPGA 市场应用前景巨大
eFPGA 主要应用市场包括网络/数据中心、无线基站、物联网、国防和航空航天等领域用 SoC 和 ASIC。当前物联网、大数据、人工智能的快速发展为 eFPGA 的发展带来巨大机遇。Achronix 公司市场营销副总裁 Steve Mensor 在 2017 年中国深圳召开的新品媒体发布会上预测，eFPGA IP 业务的增长速度会很快，20% 的增长贡献会来自取代现有传统 FPGA 芯片市场，其余 80% 的增长都会来自新市场需求。
目前业界正将 eFPGA 集成到微控制器，支持从180 nm 到 16 nm 多个工艺节点，不仅有利于制造商降低成本和加快产品上市时间，还将使微控制器用户在优化系统时获得更高的性能和灵活性，微控制器公司也可以使用嵌入式 FPGA 来实现各种加速器功能，性能比 ARM 处理器快 30～130 倍[14]。2017 年 10 月，Flex Logix向第五代精简指令集计算机（RISC-V）开创者美国 SiFive 公司 Freedom 平台的 Design Share 计划提供 eFPGA IP，RISC-V 架构本身的优异性能结合 eFPGA 的功能,可为客户针对微控制器 SoC 和多核工艺 SoC 提供高度可编程的灵活芯片设计，同时缩短产品面市时间，实现从嵌入式设备到数据中心的广泛应用。
物联网和人工智能（AI）领域将为 eFPGA 带来最强大的发展推动力。eFPGA 所具有的更小尺寸、更低功耗和成本、可重新配置等优点，将更好地应对市场的碎片化所带来多样化信息处理器件的研制需求，提供足够的使用灵活性和便捷性，减少系统耗能，实现机器学习、深度学习和神经网络等，满足物联网和人工智能的多个应用场景。2018 年 4 月，QuickLogic在设计与复用（D＆R）IP-SoC 大会上展示了 AI 和物联网用 eFPGA。2018 年 6 月，Flex Logix 宣布其EFLX4K eFPGA IP 核家族增加一款专门设计用于提高10 倍深度学习性能的 EFLX4K AI eFPGA 核，每平方毫米可模拟更多神经网络。美国哈佛大学作为新产品的第一批客户之一，选择该产品进行深度学习设计，而且他们已经开始研究后续的 16 nm AI 芯片，将更广泛地使用 Flex Logix 的 EFLX eFPGA。
eFPGA 在国防和航空航天领域应用潜力巨大。eFPGA 公司可以将 eFPGA 架构“移植”到任意 CMOS工艺中，其中包括美国代工厂和可信代工厂的抗辐射单元库。美国国防部高度认可及信任 eFPGA 技术，认为其既可在集成电路设计领域带来充分的灵活性，还将帮助美国国防部充分利用美国本土以外的先进制造能力，破解美国多年来对先进制造能力向亚洲集聚所带来安全隐患的担心。
6 结语
日益复杂的系统、日渐缩短的上市周期，接近原子级的特征尺寸、快速增加的生产成本、日新月异的需求变化，都不断提高集成电路设计和实现难度。以一套硬件和不同软件配置来满足多种应用需求及应用场景已经成为共识。eFPGA 将在满足集成电路“类多量少”发展需求中发挥重要作用，有力地满足物联网时代的发展需求。
面对 eFPGA 可能带来的变革性影响，我国也应高度重视嵌入式发展思路，因为嵌入式代表着未来一个不可逆转的大趋势。与此同时，从 eFPGA 主要由初创企业而非 FPGA 三大龙头企业 推动发展上也可以得到启示，发展 eFPGA 有望是我国在 FPGA 领域实现快速跟随甚至超越的重要途径之一。但 eFPGA 的研制并未易事。我国应将 eFPGA 纳入国家集成电路发展重点领域之一，注重 FPGA 和 IP 集成的知识和技术的积累，注重包含 eFPGA IP、软件工艺、应用实例在内的体系化发展，做好充分的工艺验证及 eFPGA 开发支持，降低用户使用难度，促进大面积应用，甚至以此为契机打破美国在 FPGA 技术领域的垄断地位。
参考文献
[1] F.L.Yuan,C.C.Wang,T.H.Yu,D.Markovic.A Multi-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile Computing[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,2014, 50(01):137-149.
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[3] Achronix Speedcore eFPGA Custom Blocks Supercharge Data Acceleration Systems[EB/OL].(2017-10-17)[2018-06-03].https://www.achronix.com/achronix-speedcore-custom-blocks-supercharge-data-acceleration-systems.
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[5] Next Generation AI Hardware Needs Flexible Programmable[EB/OL].(2018-01-19)[2018-06-03].https://www.achronix.com/blog/next-generation-ai-hardware-needs-flexible-programmable.
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[7] FLEX LOGIXS EFLX EMBEDDED FPGA ACCELERATES PROCESSOR PERFORMANCE BY 40-100X[EB/OL].(2017-07-21)[2018-06-03].https://static1.squarespace.com/static/548d5bd7e4b087dc74cd6e6d/t/5971cdfbcf81e00a7f82ae51/1500630524914/2017+07+21+App+Note+Accelerator+Release_July+21+FINAL.pdf.
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[12] Menta 28 nm HPC Process[EB/OL].(2017-06-19)[2018-06-03].http://embedded-computing.com/news/menta-28nm-hpc-process.
[13] Menta Joins GLOBALFOUNDRIES FDXcelerator Partner Program[EB/OL].(2017-10-23)[2018-06-03].https://www.design-reuse.com/news/42945/menta-globalfoundries-fdxcelerator-partner-program.html.
[14] The Future of Microcontrollers[EB/OL].(2017-11-16)[2018-06-03].https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1332604.
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