SoC

Мифы о встраиваемых ПЛИС (eFPGA)

Встраиваемые ПЛИС (eFPGA) повышают уровень производительности и гибкости микросхем SoC и ASIC. В отличие от традиционных FPGA, используемых уже более 30 лет, eFPGA не так хорошо знакомы разработчикам. По этой причине eFPGA оказываются окружены множеством мифов, часть из которых будет развенчана в данной статье
1658
В избранное

Встраиваемые ПЛИС (eFPGA) представляют собой IP-блоки, которые могут быть интегрированы в микросхемы SoC или ASIC наравне с другими программными и аппаратными IP-ядрами. При этом у разработчиков появляется возможность конфигурации аппаратной части микросхемы уже после ее производства. Очевидно, что такой подход дает сразу несколько преимуществ. В частности, eFPGA позволяют оперативно обновлять структуру SoC без производства новых чипов, а с другой стороны, один и тот же чип может стать основой для целого семейства SoC с различным функционалом.

Несмотря на схожие названия, встраиваемые eFPGA и традиционные корпусные FPGA по определению имеют целый ряд принципиальных различий. Однако многие разработчики склонны ставить между ними если не знак равенства, то знак приближенного равенства. При этом некоторые отличительные черты FPGA начинают приписывать eFPGA, что не всегда оправданно.

Совсем недавно с небольшим перерывом были опубликованы две независимые статьи с одинаковым названием «11 Мифов о eFPGA» (в оригинале «11 Myths About Embedded FPGAs»). Первую статью написал Джеф Тейт – один из основателей Flex Logix echnologies Inc. Вторая публикация с тем же названием вышла за авторством Стива Менсора – вице президента компании Achronix Semiconductor Corp. Настоящая статья является своеобразной компиляцией этих двух первоисточников.

Миф 1. Технология eFPGA слишком «сырая»

Данный миф легко опровергнуть. Дело в том, что в основе eFPGA лежат примерно те же технологии, что и в традиционных FPGA. Можно даже условно считать, что eFPGA является единственным IP-блоком в составе каждой FPGA. В то же время технология FPGA за три десятка лет была доведена до совершенства и вряд ли может стать источником проблем.

С другой стороны, концепцию встраивания eFPGA в виде IP-ядра также с трудом можно назвать новой. Использованием IP-ядер сейчас никого не удивишь. Более того, впервые идея eFPGA была реализована сразу несколькими компаниями еще в середине 90-х (Actel, IBM, LSI Logic, Leopard Logic). Причиной неудач этих разработок считают неготовность рынка к подобным решениям, неготовность самих компаний к совмещению IP-бизнеса и бизнеса по производству кристаллов, а также не всегда удачные решения при реализации самих SoC.

Таким образом, eFPGA является достаточно зрелой технологией, которой, впрочем, есть куда развиваться.

Миф 2. eFPGA снижают надежность SoC

Отчасти этот миф перекликается с предыдущим. Очевидно, что при усложнении любого устройства его надежность уменьшается. В то же время eFPGA являются чисто цифровыми блоками, то есть представляют самый простой вид IP-технологий. Таким образом, снижение надежности при встраивании eFPGA соответствует аналогичным показателям при использовании других цифровых IP-блоков.

Говоря о технологическом совершенстве, Джеф Тейт замечает, что в случае с Flex Logix речь идет не о концептуальной разработке, а о готовом и проверенном решении, которое было успешно реализовано с технологиями производства 40 нм и 28 нм, а последние версии eFPGA от Flex Logix будут использоваться в составе SoС, производящихся по топологии 16 нм.

Миф 3. eFPGA имеют меньшее быстродействие, по сравнению с остальными частями SoC

Как уже отмечалось выше, на аппаратном уровне eFPGA и FPGA очень похожи. Поэтому вопрос быстродействия в eFPGA обстоит почти так же, как и в FPGA. Другими словами, у разработчика всегда есть возможность обеспечить увеличение производительности за счет выделения наиболее быстродействующих цепей и применения специальных решений, например, конвейеров, параллельных вычислений и параллельных шин высокой разрядности. В результате, быстродействие eFPGA может быть на том же уровне, что и у остальных IP-блоков SoС.

Миф 4. eFPGA ограничивают пропускную способность SoC

Данный миф является очередной попыткой перенести недостатки FPGA на eFPGA. Традиционные корпусные FPGA имеют ограниченное количество выводов корпуса, что может стать своеобразным «бутылочным горлышком» с точки зрения пропускной способности при обмене данными, например, с внешним процессором. Однако у eFPGA внешние выводы могут и вовсе отсутствовать, вместо этого для связи eFPGA с другими IP-блоками используются внутренние порты ввода-вывода I/O, число которых иногда достигает нескольких тысяч. В результате пропускная способность eFPGA в десятки раз выше, чем у корпусных FPGA.

Ограничение по числу выводов у обычных корпусных FPGA является одной из важнейших причин перехода к eFPGA в SoC. Наличие тысяч внутренних связей не только расширяет возможности по взаимному подключению IP-блоков, но и обеспечивает существенный прирост производительности, например, за счет использования параллельных шин повышенной разрядности.

Миф 5. eFPGA отличаются повышенным потреблением

Следует начать с того, что физически блок eFPGA представляет собой набор из огромного числа обычных транзисторов. Потребление каждого транзистора определяется технологией (током утечки и емкостью) и частотой переключений. Если логические блоки в eFPGA переключаются медленно или вовсе неактивны, то общее потребление eFPGA будет значительно меньше, чем у других IP-блоков, входящих в состав SoC.

С другой стороны, многие пользователи, ранее работавшие с FPGA, удивляются низкому потреблению eFPGA. Дело в том, что значительная доля потребления в традиционных FPGA приходится на внешние порты ввода-вывода. Это не удивительно, так как порты I/O отличаются сложной структурой. Они должны иметь значительную нагрузочную способность, сопровождаться схемами гистерезиса, обладать возможностью преобразования логических уровней и т.д. Как уже было сказано ранее, в eFPGA число внешних I/O не так велико, а внутренние порты I/O имеют упрощенную структуру и даже могут работать с пониженным напряжением.

Аналогично складывается ситуация и с другими блоками. В отличие от серийных ПЛИС, в eFPGA можно отказаться от избыточных модулей, например, ФАПЧ, интерфейсов и т.д. Все это крайне положительно сказывается на уровне потребления eFPGA.

Миф 6. Инструменты разработки и отладки для eFPGA оставляют желать лучшего

В последние пять-шесть лет было несколько громких попыток запуска новых ПЛИС, которые в дальнейшем так и не получили распространения. Одной из важнейших причин неудач в большинстве случаев становилось отсутствие нормальных инструментов разработки и отладки. С eFPGA все обстоит несколько лучше.

В случае с Achronix у пользователей есть возможность работы с фирменной программой ACE design tool suite, которая присутствует на рынке уже более десяти лет и свободна от детских болезней, характерных для ПО от начинающих производителей.

Миф 7. Программирование eFPGA является достаточно сложным процессом

В программировании eFPGA нет ничего сложного. У пользователей есть несколько вариантов прошивки eFPGA:

  • С помощью JTAG, точно так же, как и в случае с обычными ПЛИС;
  • С помощью внешнего или внутреннего процессора, осуществляющего инициализацию при запуске;
  • С помощью собственного загрузчика, который считывает файл прошивки с внешней Flash.

Миф 9. Процесс проектирования ASIC с eFPGA уникален и существенно отличается от работы с другими IP-ядрами

Процесс разработки ASIC при использовании eFPGA остается таким же, как и при работе с другими IP-ядрами. При проектировании выполняются те же этапы: синтез, трассировка, временной анализ и оптимизация. Многие поставщики дают возможность бесплатного ознакомления с их инструментами разработки.

Миф 10. Размер кристалла для интеграции eFPGA должен быть большим

Еще один миф, который относится к традиционным FPGA, а не к eFPGA. На самом деле eFPGA занимают намного меньше места на кристалле, чем традиционные ПЛИС. Если рассмотреть типовую ПЛИС, то окажется, что большая часть кристалла приходится не на саму программируемую логику, а на блоки портов ввода-вывода.

Как уже говорилось выше, порты ввода-вывода в традиционных микросхемах ПЛИС являются единственным средством взаимодействия с внешними миром (микросхемами, памятью, процессорами и т. д.). Именно поэтому им уделяется столько внимания. В то же время eFPGA обычно не требуют такого количества внешних выводов и, следовательно, занимают меньше места.

Миф 11. eFPGA значительно повышают стоимость SoC

Во-первых, начнем с того, что лицензионные отчисления за использование IP-ядер eFPGA находятся примерно на том же уровне, что и для других IP-блоков. Во-вторых, как было показано в предыдущем пункте, размер кристалла, занимаемый eFPGA, оказывается не таким уж большим, по сравнению с обычной ПЛИС, что уменьшает стоимость. В третьих, разработчик SoC может по своему усмотрению изменять состав набора IP-ядер и варианты их исполнения. Если необходимо оптимизировать стоимость SoC, можно выбрать IP-ядро eFPGA с меньшим числом вентилей.

С помощью eFPGA удается дополнительно сократить затраты. Рассмотрим основные предпосылки уменьшения стоимости:

  • Одна и та же SoC может использоваться для реализации целого семейства микросхем с разным функционалом за счет конфигурации eFPGA. При этом затраты на перепроектирование практически отсутствуют.
  • В процессе жизненного цикла может потребоваться обновление и модернизация SoC. Речь идет, например, о необходимости корректировки функций SoC при изменении протоколов или стандартов. Некоторые даже значительные изменения можно реализовать программно с помощью eFPGA.
  • Риск производства SoC значительно уменьшается при использовании eFPGA. Иногда изготовление микросхем начинается еще до того, как будет завершено проектирование всех функций SoC. Даже в случае возникновения ошибок или изменений, их всегда можно исправить на завершающем этапе, скорректировав конфигурацию eFPGA.

Миф 12. Разработкой и продажей eFPGA занимаются те же фирмы, что производят традиционные ПЛИС

Разработка программных IP-ядер и производство кристаллов и микросхем являются совершенно разными типами бизнеса. Например, крупнейший производитель процессоров Intel не является прямым конкурентом компании ARM – крупнейшему поставщику процессорных IP-ядер. По этой же причине продвижением eFPGA занимаются вовсе не Altera или Xilinx, а другие производители, в частности, Achronix и Flex Logix.

Миф 13. Пользователи традиционных ПЛИС должны перейти на eFPGA

Совсем нет. Как показывает практика, у eFPGA и FPGA разная «клиентская база». eFPGA интересны в первую очередь крупным производителям микросхем, способным создавать свои собственные SoC и ASIC. FPGA интересны для производителей мелкосерийной и среднесерийной электроники. При этом, с ростом объемов производства, потребители FPGA смогут перейти на ASIC, а eFPGA помогут сделать такой переход более плавным.

В заключение хочется еще раз подчеркнуть, что eFPGA помогают расширить функционал и гибкость SoC. Вместе с тем необходимо понимать, что eFPGA имеют ряд существенных отличий от традиционных корпусных FPGA.

Сравнение позиций

  • ()