一文讀懂嵌入式FPGA

　　嵌入式FPGA(eFPGA)是指將一個(gè)或多個(gè)FPGA以IP的形式嵌入ASIC，ASSP或SoC等芯片中。

　　換句話說(shuō)，eFPGA是一種數(shù)字可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，由可編程互連中的可編程邏輯組成，通常表現(xiàn)為矩形陣列，數(shù)據(jù)輸入和輸出位于邊緣周圍。 eFPGA通常具有數(shù)百或數(shù)千個(gè)輸入和輸出，可連接到總線、數(shù)據(jù)路徑、控制路徑、GPIO、PHY或任何需要的器件。

　　所有eFPGA都將查找表(LUT)作為基本構(gòu)建模塊。 LUT有N個(gè)輸入選擇一個(gè)小表，其輸出表示N個(gè)輸入的任何需要的布爾函數(shù)。 有些eFPGA LUT有四個(gè)輸入，有的有六個(gè)。有些LUT有兩個(gè)輸出。 LUT通常在輸出端具有觸發(fā)器; 這些可以用來(lái)存儲(chǔ)結(jié)果。這些LUT寄存器組合通常以四進(jìn)制形式出現(xiàn)，還有進(jìn)位算術(shù)和移位器，以便有效地實(shí)現(xiàn)加法器。

　　LUT接收來(lái)自可編程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的所有輸入，并將其所有輸出反饋到可編程互連網(wǎng)絡(luò)。

　　除了LUT之外，eFPGA還可能包含MAC(乘法器/累加器模塊)。 它們也連接到可編程互連網(wǎng)絡(luò)，用于提供更高效的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)和人工智能(AI)功能。 對(duì)于內(nèi)存來(lái)說(shuō)，有大量的RAM，通常是雙端口的封裝。至于LUT和MAC，通過(guò)RAM連接到可編程互連網(wǎng)絡(luò)。

　　eFPGA具有輸入和輸出引腳的外環(huán)，將eFPGA連接到SoC的其它部分，這些引腳也連接到可編程的互連網(wǎng)絡(luò)。

　　軟件工具用于合成Verilog或VHDL代碼，以編程eFPGA邏輯和互連來(lái)實(shí)現(xiàn)任何所需的功能。

　　eFPGA是方便的新邏輯塊，可在許多方面提高SoC的價(jià)值，其中包括：

　　使用數(shù)百個(gè)LUT的廣泛，快速的控制邏輯;

　　可重新配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;

　　用于視覺(jué)或人工智能的可重構(gòu)算法;

　　用于航空航天應(yīng)用的可重配置DSP;

　　用于MCU和SoC的可重配置加速器。

　　除了以上這些，還有更多，這里就不一一介紹了。

　　當(dāng)今，已經(jīng)有了一些eFPGA供應(yīng)商，主要包括Achronix，F(xiàn)lex Logix，Menta和QuickLogic，此外，還有一些較小的供應(yīng)商。有了這些選擇，客戶需要決定哪一個(gè)最能滿足他們的需求。那么，要如何選擇呢? 雖然需要考慮商業(yè)因素，但本文重點(diǎn)討論技術(shù)因素。

　　第1步：制程的兼容性

　　通常情況下，即使在IP評(píng)估的早期階段，公司也會(huì)選擇foundry廠和工藝節(jié)點(diǎn)。而臺(tái)積電、GlobalFoundries和SMIC現(xiàn)在或正在開發(fā)針對(duì)包括65nm，40nm，28nm，22nm，16nm，14nm和7nm工藝節(jié)點(diǎn)的eFPGA。

　　但是，并非所有供應(yīng)商對(duì)所有代工廠/工藝節(jié)點(diǎn)都有eFPGA，至少目前還沒(méi)有。 通過(guò)他們的網(wǎng)站檢查哪些與您的制程兼容非常重要。 您還應(yīng)該看看所討論的eFPGA是否已經(jīng)在芯片中進(jìn)行了驗(yàn)證，并在NDA下提供了報(bào)告。

　　不要忘記檢查金屬堆棧的兼容性。您選擇的關(guān)鍵IP，如SerDes或您的應(yīng)用可能需要您使用特定的金屬堆棧，但并非所有eFPGA IP都與所有金屬堆棧兼容。

　　第2步：陣列大小和功能

　　并非所有的eFPGA供應(yīng)商都可以做非常小規(guī)模的eFPGA，同時(shí)，并不是所有廠商都可以做出規(guī)模非常大的eFPGA。另外，它們支持的MAC和RAM的性質(zhì)可能會(huì)有所不同。

　　對(duì)于您是否需要數(shù)百個(gè)LUT或數(shù)十萬(wàn)個(gè)LUT，以及您對(duì)MAC和RAM的需求，這可能會(huì)篩選出一些供應(yīng)商。

　　步驟3：使用RTL進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試

　　eFPGA供應(yīng)商會(huì)為您提供用于評(píng)估的軟件，以便您可以確定(RTL)每個(gè)eFPGA可以實(shí)現(xiàn)的硅面積和性能。您需要eFPGA能夠在與SoC其余部分相同的溫度和電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，因此請(qǐng)確保您需要的是支持的。

　　在進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，將蘋果與蘋果進(jìn)行比較(compare apples to apples)非常重要。例如，您應(yīng)該在相同的工藝(slow/slow or typ/typ or fast/fast)以及相同電壓和相同溫度下比較每個(gè)eFPGA。您應(yīng)該期望來(lái)自eFPGA供應(yīng)商的軟件工具將允許您檢查不同工藝轉(zhuǎn)角和電壓組合下的性能。

　　請(qǐng)注意，您的RTL適用于eFPGA。如果從硬連線ASIC設(shè)計(jì)中采用RTL，則觸發(fā)器之間往往會(huì)有20~30個(gè)邏輯層。如果你把它放在沒(méi)有優(yōu)化的eFPGA中，它會(huì)運(yùn)行得非常慢。在eFPGA中，LUT輸出總是有觸發(fā)器，您可以使用它們向RTL添加更多的流水線，以在eFPGA中獲得更高的性能。

　　談到RTL，確保你正在測(cè)試什么對(duì)你很重要。

　　一個(gè)16位加法器。你關(guān)心的是它的運(yùn)行速度有多快，但是如果你不小心，看到的結(jié)果可能會(huì)讓你感到驚訝?，F(xiàn)在想象一個(gè)大的eFPGA。如果加法器放置在陣列的一個(gè)角落，輸入和輸出接近，則性能將遠(yuǎn)高于在陣列中間找到加法器的情況。這是因?yàn)槿绻^察從陣列輸入到陣列輸出的性能，當(dāng)加法器位于陣列中間時(shí)，到數(shù)據(jù)輸入和加法器輸出的加法器的距離會(huì)更長(zhǎng)。實(shí)際上，加法器是相同的，并且在兩個(gè)位置運(yùn)行速度都很快。問(wèn)題在于你的測(cè)試沒(méi)有隔離加法器的性能，但它也加入了達(dá)到加法器所需的信號(hào)。

　　下圖是一個(gè)例子，它使用一個(gè)LUT來(lái)布線，LUT速度不會(huì)改變，但通過(guò)互連進(jìn)入和離開LUT的延遲會(huì)發(fā)生。

　　圖源：Flex Logix

　　為了應(yīng)對(duì)這種效應(yīng)，尤其是因?yàn)槟赡軙?huì)比較兩種不同尺寸的eFPGA，您需要做的是在輸入和輸出上設(shè)置寄存器，這可確保您關(guān)心的性能均可測(cè)量，不受陣列的大小和位置的限制。

　　如果您需要MAC的DSP或AI功能，請(qǐng)了解每個(gè)eFPGA的乘法器大小和流水線的不同。 如果RTL指定了一個(gè)MxN乘法器，那么綜合軟件將確保eFPGA實(shí)現(xiàn)它，但它可能會(huì)跨越兩個(gè)或更多乘法器以達(dá)到所需的效果。 如果你需要MxN，那么這很重要。 但是，如果試圖比較apples-to-apples的倍增性能，您會(huì)希望讓RTL使用適合您所評(píng)估的所有eFPGA的倍增器大小。

　　圖：N-Tap FIR濾波器架構(gòu)(來(lái)源：Flex Logix)

　　一些eFPGA直接將MAC匯集到一起，這比可編程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)快得多。 實(shí)施N-Tap FIR濾波器將顯示具有MAC-to-MAC流水線的eFPGA與不具有流水線的eFPGA之間的差異。 上圖為使用流水線DSP MAC實(shí)現(xiàn)的N-Tap FIR濾波器的示例。

　　步驟4：使用您需要的RTL基準(zhǔn)測(cè)試區(qū)域

　　與性能一樣，在嘗試針對(duì)不同eFPGA的RTL的相對(duì)面積進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，要非常小心。一些eFPGA供應(yīng)商使您能夠輕松生成數(shù)十種不同的陣列尺寸，但其他人可能只會(huì)為您的基準(zhǔn)測(cè)試提供兩種尺寸。

　　第一步是查看LUT計(jì)數(shù)(或MAC計(jì)數(shù))。但是，不同的eFPGA供應(yīng)商可能有不同的LUT尺寸。在查找表中可能不會(huì)填滿它，所以如果你有兩個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入一個(gè)與非門，再進(jìn)入另一個(gè)觸發(fā)器，那么任何大小的查找表都將實(shí)現(xiàn)一個(gè)與非門。

　　某些eFPGA在輸出端具有兩個(gè)觸發(fā)器，這使得N輸入LUT可以分解為兩個(gè)共享N輸入LUT和一些輸入子集的更小的LUT。此功能可提高面積利用率。

　　即使您正在對(duì)來(lái)自兩家供應(yīng)商的N-LUT eFPGA進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試 - 并且您的設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)LUT中的一半并且兩者的面積相同 - 但您不能斷定它們同樣好。 你需要確定的是eFPGA LUT的利用率是否可以實(shí)現(xiàn)。一般eFPGA的利用率為60-70%，但有些eFPGA的利用率可達(dá)到90%。 唯一能找到的方法是使RTL幾乎填滿eFPGA的LUT。

　　另一種獲得使用感的方法是查看展示位置的可視化。 在下面的例子中，LUT顯然是非常緊密地組合在一起的(陰影塊是設(shè)計(jì)中使用的LUT)，這是高利用率的良好視覺(jué)指示。

　　但是，即使在這里你也必須小心。 如果在上面的設(shè)計(jì)中，輸入和輸出均勻分布在eFPGA陣列的邊上，那么隨著位置/路徑軟件將關(guān)鍵路徑最小化，將具有更均勻地分散LUT的效果。

　　因此，當(dāng)使用這種可視檢查時(shí)，嘗試將輸入和輸出分組到eFPGA的一個(gè)角落，這樣，位置/路線軟件就可以將LUT放在一起，以最小化關(guān)鍵路徑。

　　步驟5：對(duì)輸入和輸出容量進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試

　　一些基于eFPGA的應(yīng)用程序需要大量的輸入和輸出。例如，網(wǎng)絡(luò)芯片的總線可以是512位寬(有時(shí)甚至數(shù)千位寬)。 您需要查看每個(gè)K-LUT可用的輸入和輸出計(jì)數(shù)，看看它是否在滿足您需求的范圍內(nèi)。

　　結(jié)論

　　eFPGA是令人興奮的新工具，它使SoC架構(gòu)師可以使他們的芯片更加靈活和可重新配置。

　　使用上面的指導(dǎo)原則，您將能夠更快地找到最適合您獨(dú)特應(yīng)用程序、特定需求的eFPGA。如果您選擇正確的解決方案，您將能夠充分發(fā)揮eFPGA的潛力。