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eFPGA,会有未来吗?

分享于 2021-04-28 13:55:07
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目前国内有多家FPGA公司在做eFPGA的相关业务,但eFPGA的利润比FPGA要少很多,他们的逻辑是什么?据业内专业人士指出,eFPGA相当于FPGA内核IP授权,想像ARM那样赚钱,这不太容易。那么,eFPGA是否有未来呢?


众所周知,与几年前相比,当前的FPGA公司格局大不相同。几年前,Altera被英特尔收购。Xilinx正在与AMD合并的过程中。过去很多年的FPGA初创公司都已不复存在。同时,一些新公司的差异化技术正在成功地被市场采用。但是eFPGA本身并不是新产品,eFPGA这种产品形式的出现可以说改写了FPGA产品的走向。。


什么是eFPGA?


首先,什么是eFPGA?嵌入式FPGA(eFPGA)是嵌入在定制SoC或ASIC器件中的FPGA IP内核。该IP可被许可使用,其用途与半导体设计中使用的其他IP相似。

为什么eFPGA突然引起如此大的关注?主要有两点:一是开发成本随着每一代新工艺的产生而急剧上升。这些都是由抽象设计本身的复杂性以及在实际SoC器件中这些设计的物理实现所驱动的,包括软件工具、工程时间和掩模成本等项目。第二(相反地),这些设备的单位功能成本一直在下降。例如,二三十年前,FPGA门相对昂贵,因此FPGA设备倾向于用于原型和预生产,而不是大规模生产应用。所以以前试图在ASIC中添加FPGA门通常会增加总体的模具尺寸和复杂性,以至于新的混合器件将变得过于昂贵而不实用。

现在,FPGA门的成本已降低。取而代之的是,SoC设计涉及的高成本增加了因没有合适的产品来满足特定市场需求而带来的风险,而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(因此降低市场风险)具有经济意义。

与独立FPGA的设计过程不同,eFPGA设计人员可以为其客户的应用选择所需的逻辑,DSP和存储器资源的确切数量。当移入大批量生产时,eFPGA还可以通过消除独立的FPGA来降低系统成本,功耗和电路板空间。具体来看,相比FPGA,eFPGA具有如下优势:

更高的性能:eFPGA通过广泛的并行接口连接到ASIC,从而提供了更高的吞吐量,并且延迟以单位个数的时钟周期计算;

较低的功率:可编程I / O电路占独立FPGA总功耗的一半。eFPGA具有直接与SoC的有线连接,从而完全消除了大型可编程I / O缓冲器。可以根据您的要求精确调整eFPGA的大小,并且您可以调整处理技术以权衡性能与功耗之间的关系。

降低系统成本:eFPGA的管芯尺寸比独立的FPGA小得多-消除了可编程I / O缓冲器,未使用的DSP和存储器模块以及超额配置的LUT和寄存器。传统的FPGA引脚数大且引脚间距紧密,因此您必须制造多层PCB。嵌入式FPGA消除了对专用PCB以及所有支持组件(如电源调节器,时钟发生器,电平转换器和无源组件)的需求。

更高的系统可靠性和良率:将FPGA功能集成到ASIC中可改善系统级信号完整性,并消除与在PCB上安装独立FPGA有关的可靠性和良率损失。

现在eFPGA可以从多家供应商,各种代工厂(台积电,格芯,中芯国际和三星)以及工艺节点(例如180、40、28、22、16、14、12和7nm)上购得。

eFPGA玩家层出,国外居多


这几年eFPGA的玩家真是如雨后春笋般的崛起。国外的eFPGA玩家中不乏有新老玩家的切入:Achronix、QuickLogic、Flex Logix、Menta、Adicsys、NanoXplore、ADICSYS、Efinix,他们有的提供软IP,有的提供硬IP。国内的FPGA相对起步晚,eFPGA更晚一些,目前了解到中科亿海微在做eFPGA。在此,我们简单说几家有代表性的eFPGA厂商。

说到eFPGA,真正让eFPGA火起来走进大众视野的当属Achronix,此前该公司一直销售高端FPGA,而在后来开始提供嵌入式FPGA(eFPGA IP)。Achronix的Speedcore是第一个投放市场的eFPGA IP,Speedcore eFPGA专为计算和网络加速应用而设计,基于与Achronix的Speedster22i FPGA相同的高性能架构,该架构已经批量生产多年。

Achronix是唯一一家在前沿工艺节点上提供FPGA芯片和IP产品的独立公司,目前其正在通过SPAC上市。PCIe 5.0的出现,以及希望在网络路线图上利用其技术来构建加速器卡的越来越多的潜在客户,Achronix迎来了很大的发展契机。

最近,他们已经将自己的FPGA调整为成为下一代数据中心核心的DPU。而其竞争对手Xillinx和Altera由于拥有x86所有权而被限制,并在此过渡中扮演次要角色。因为如亚马逊,阿里巴巴,百度,谷歌,Facebook,微软和腾讯都希望对未来数据中心的硬件/软件结构进行完全的垂直控制。他们希望通过内部的芯片工作以及与规模较小的公司的合作伙伴关系来开发自己的解决方案。他们可以将Achronix的IP与ARM和Synopsis的其他IP集成在一起,以构建自己的自定义DPU。

Blake解释道:“随着时间的推移,如果你看看集成电路或ASIC不断发展,它们会逐步集成更多的能力,从内存到高速SERDES再到DSP块,然后是cpu和ML处理器。这种整合路径很常见。我对嵌入式FPGA的看法是,为什么ASIC或SoC公司不集成FPGA?很早之前,我就知道这不是“如果”,而是“什么时候”。随着最新一代的使用模式和高端市场更广泛的应用,这是有道理的。”他补充说,他们的双重业务模式是使他们能够借助高价值的授权抵御行业冲击的关键。其实这种模式就如同现在的Arm的业务模式。

在Achronix看来,如果他们以较低的许可费和特许权使用费对较小的内核进行许可,而对较大的内核进行更高的制造许可费和每个设备的芯片特许权使用费,这些设备可以是按百万美元数量级的“小”设备,也可以是按1,000万美元至2,000万美元范围的“大”设备。他们正在利用其他公司的研发团队来开发包含我们技术的产品,而且他们没有制造成本。这是一项利润率非常高的业务。

而英特尔和AMD永远不会为其核心FPGA IP授予许可。IP许可业务是只有独立公司才能从事的业务。现在已经不像过去那样赚钱了,现在的云服务提供商正积极寻求摆脱像英特尔这样的供应商所依赖的过时的商业模式,那么这个行业必须发展。事实上,尽管拥有Altera,英特尔仍在使用Achronix,这充分说明了Speedster 22i的质量。


另外一家eFPGA厂商Flex Logix Technologies的eFPGA业务已经实现现金盈利。他们最初是跟政府合作,特别是DARPA(国防高级研究计划局)。同时这项合作为他们带来了很多项目,也有商业客户,例如Dialog Semiconductor为其可配置电源管理IC(PMIC)。Dialog于2019年底授权Flex Logix的eFPGA及其编译器,以实现Dialog未来PMIC的可配置性。

今年3月初,Flex Logic表示已扩大与DARPA的EFLX eFPGA技术的许可协议。该协议使DARPA研究人员能够保留硬连线电路的所有优势,同时还增加了在流片后需要修改,更新或修复其算法或加速器中的功能性错误时更改电路的功能。自2017年与DARPA合作以来,Flex Logix已向许多美国政府资助的程序提供了eFPGA,这些程序需要eFPGA在更高级节点的芯片中具有灵活性和可重编程性。

最近他们开始将业务聚焦在AI上,目前其已完成5500万美元的D轮融资,将用于扩大其业务的人工智能(AI)推理部分。他们的推理芯片InferX X1目前正在向客户提供样品。这笔资金将使其能够提高该芯片的产量,并组建新的销售团队以专注于这一方面的业务。InferX X1芯片和电路板将在2021年中期投入量产,同时还将提供InferX Inference编译器,该编译器将使用Tensorflow Lite和ONNX神经网络模型,并生成运行InferX X1的代码,而无需其他解决方案所需的详细编程。

Flex Logix的推理体系结构针对边缘百万像素视觉应用程序所需的低延迟操作进行了优化。它将众多一维张量处理器与可重新配置的高带宽,无阻塞互连结合在一起,使神经网络模型的每一层都可以配置为最大程度地利用,从而以较低的成本和功耗实现了非常高的性能。处理模型时,将在百万分之一秒内重新配置计算和内存之间的连接。该体系结构是Flex Logix的InferX X1边缘推理加速器的基础,该加速器现在正在运行YOLOv3对象检测和采样以吸引主要客户。

“这种可编程互连架构是从eFPGA架构演变而来的。仅仅两年多以前,一位客户正在征求有关如何在FPGA上实现推理的建议。我的联合创始人提出了一个新架构InferX。在许多FPGA中,其中80%用于可编程互连,而不是可编程逻辑。相同的可编程互连用于推理,它是非阻塞的,可满足客户解决延迟问题的需求。”Flex Logix的首席执行官兼联合创始人Geoff Tate在接受EE Times采访时表示。

除了这两家,其实在欧洲也有一家eFPGA正在迅速发展,那就是来自法国的Menta。Menta是欧洲唯一经过验证的半导体eFPGA提供商。据官网介绍,Menta是一家私有公司,为SoC,ASIC或ASSP设计提供100%第三方标准单元嵌入式FPGA IP。我们的技术使用户可以毫不费力地更新芯片的后期生产,无论是修复错误,实现客户特定的功能,适应不断发展的标准,还是增强安全性。Menta IP与Origami工具链一起提供,以从RTL生成比特流,包括合成。

国内的中科亿海微电子科技(苏州)有限公司成立于2017年1月,是由中科院电子所旗下产业化平台联合研究院可编程芯片与系统研究领域的核心技术团队,研制具有高可靠性的嵌入式可编程IP 核、可编程芯片和EDA软件,实现可编程芯片软硬件的全面自主可控。其eFPGA产品为亿灵犀 eLinkSeas,LUT数量为640~92000,支持境内40nm工艺。


eFPGA是否有未来?


说eFPGA的未来,不妨借鉴下Arm的发展路径,Arm自1990年开始授权处理器IP,到2019年,它获得了5.5亿美元的新处理器许可(它们的专利使用费收入要高得多),这是经过30年的市场发展之后的结果。eFPGA还较新,Allied Market Research预测,2024年eFPGA许可收入将增长至3亿美元。

eFPGA在成本,功耗,性能和电路板复杂度方面的优势非常可观,有趣的是,什么样的应用程序成为采用eFPGA的“最佳落地点”。2021年3月,Achronix宣布客户的ASIC中已经发货了1000万个Speedcore eFPGA IP内核。这显示了eFPGA IP技术的快速增长以及Achronix的Speedcore eFPGA IP解决方案的质量。

好消息是,如今,云厂商大举进攻ASIC芯片,纷纷开始投入自研行列,相比较而言,这些云厂商大多财大气粗,势必给eFPGA的发展带来很大的契机。ASIC / SoC设计中大量的选择和eFPGA技术的迅速采用,对赛灵思和英特尔等公司的独立FPGA的统治地位构成了新的威胁,具有嵌入式结构的第三方SoC可能会与两家大公司的SoC FPGA产品竞争。

按照eFPGA供应商Menta的观点,对于那些需要大量可编程逻辑资源的小批量,高价值的应用,FPGA发挥了出色的作用,我们这里说的是数百万个LUT。例如,在数据中心中,独立FPGA上的AI工作负载正在大大打击GPU,但是,在边缘和负载方面,将成本和低功耗作为首要考虑因素时,独立的FPGA并没有多大意义,进行原型设计时除外。微软已在Azure中广泛部署了FPGA,在某个时候,数据中心可能会将eFPGA集成到ASIC中,以更有效地利用eFPGA的性能优势。AI领域也是,如前文所说,Flex Logix使用eFPGA开发优化的推理加速器InferX X1,Achronix也正在为AI实现优化的MAC。

Menta还在客户中看到了另一种现象,可配置性。在使用eFPGA之前,一些客户可能会拥有数百种功能稍有不同的不同芯片。现在,借助少量的eFPGA,他们可以拥有一个裸片,由此可以生产100个不同的SKU,而没有库存风险。这对他们来说是无价的。

最后,特别是在加密技术中,eFPGA可以起到更高的安全性。如果加密被硬连接到门中,则始终可以进行逆向工程。如果仅在运行时将其加载到ASIC中(您可以使用eFPGA进行此操作),则进行逆向工程将更加困难。

除了上面这些,在通信,自动驾驶,高频交易,挖矿在这些市场中,ASIC和SoC是可预见的未来的真正赢家。实际上,eFPGA的应用似乎是无止境的,随着客户提出如何使用eFPGA的学习曲线,并不断要求供应商支持新特性和功能以改善其价值主张,它将继续发展,真正的客户需求将成为eFPGA未来发展的原动力。

然而,与所有复杂的技术一样,也存在一些挑战。其中之一是,eFPGA有节点限制,所以并不适合所有人,eFPGA IP架构、尺寸和技术以及跨不同代工厂和流程节点的SoC实现有很多很多可能的组合。还存在与需要不同数量的金属层、管理时钟域边界和协调不同电源管理方案相关的潜在集成问题。

然而,eFPGA技术只有在可编程逻辑有效集成在SoC内时才能成功。这需要技术、架构和软件工具的正确组合,以便开发团队有一个完整和有效的设计流程,使他们能够无缝地从概念到工作硅,再到生产后市场调整和准备发货的产品。

未来,eFPGA技术能否像今天的Arm处理器一样普及值得我们深思。
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