編者按：近年來，在終端應用轉變，傳統晶元面臨材料和架構瓶頸等現狀的影響下，市場對FPGA的關注達到了前所未有的高度。但傳統單純的FPGA似乎不能滿足多樣化的需求，從而延伸出eFPGA和FPGA SoC這兩個方向。新的嵌入式FPGA和業界一直在努力整合的FPGA SoC，誰會是未來的選擇？

eFPGA：冉冉升起的新星

eFPGA即嵌入式FPGA（embedded FPGA），是近期興起的新型電路IP。

隨著摩爾定律越來越接近瓶頸，製造ASIC晶元的成本越來越高。因此，設計者會希望ASIC能實現一定的可配置性，同時又不影響性能。在希望能做成可配置的模塊中，負責與其他晶元或者匯流排通信的介面單元又首當其衝。在晶元中，模塊間的通信往往使用簡單的並行介面或者配合簡單的時序邏輯，但是在晶元間通信時為了保證可靠性，必須通過一系列握手（handshake）協議來完成通信介面。設計者往往希望自己的SoC能夠與市面上儘可能多的其他晶元通信，然而市場上的晶元通信介面並沒有一個統一標準，同時一些通信協議也在隨著時間不斷更新換代，因此晶元間通信往往需要一些中介（bridge）晶元。事實上，使用FPGA晶元作為晶元間通信的中介已經是很常見的做法，因為FPGA具有可配置性，因此可以作為通用通信中介。例如，Apple在iPhone7中集成了一小塊Lattice的FPGA晶元，據推測就是為了實現晶元間的通信中介和可配置互聯。然而，在硬體系統中使用額外的通信中介晶元成本較高，而且也不利於維護，那麼，有沒有集成度更高的方案呢？這時候，eFPGA就應運而生，通過把一小塊FPGA電路IP集成到SoC中充當介面握手協議處理單元，可以大大提高SoC介面的靈活性，因此能與不同的其他晶元進行通信。

除此之外，隨著目前異構計算架構的興起，eFPGA又看到了一種新的可能，即在SoC上實現高集成度的異構計算，讓eFPGA隨著系統的需求在處理不同的應用時配置成不同的模塊。這與Intel收購Altera FPGA的終極目標相同，只是Intel收購Altera之後，Altera的FPGA IP只會集成在Intel的晶元上，而eFPGA廠商則可以把IP提供給任何花錢購買的客戶。

eASIC概念第一次進入大眾視野可以說是2014年，由UCLA的Cheng C. Wang，Fang-Li Yuan和Dejan Markovic等人在ISSCC發表的文章，「A Multi-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile Computing」。在這篇文章中，作者們通過創造性地設計互聯單元，一舉解決了FPGA的功耗、性能和成本受到布線資源限制的問題，從而使得eASIC集成到SoC中真正變為可能，而該論文也因其突出貢獻獲得了ISSCC Lewis Award。之後，Cheng C. Wang，Fang-Li Yuan和Dejan Markovic就利用該論文中的成果成立了FlexLogix，推廣eFPGA的概念，並使其真正能夠商用化。

到了今年，eFPGA的概念已經獲得了業界的廣泛認可，而該領域的公司也在慢慢變多。在前幾天舉行的ARM TechCon中，我們看到了四家公司，分別是FlexLogix，Achronix，QuickLogic以及Menta。

FlexLogix作為eFPGA的先驅，在本屆ARM TechCon上推出的新亮點是用於2.5D封裝的小型FPGA晶元。該晶元主要解決的問題是，如果ASIC使用成熟工藝（如65nm）實現，但是eFPGA在65nm上跑不到預期的性能怎麼辦？使用FlexLogix的小型FPGA晶元，就可以把16nm的eFPGA和65nm的ASIC使用硅載片（silicon interposer）之類的2.5D封裝技術集成到一起，從而實現客戶所需要系統性能。

Achronix的亮點則是高速eFPGA IP。其最新一代的Speedcore IP將會在TSMC 7nm工藝上實現，從而實現最強的性能。另外，Achronix的Speedster FPGA晶元也在出貨中。作為首家eFPGA進入量產晶元的公司，Achronix2016-2017年收入猛增，值得關注。

QuickLogic是老牌FPGA廠商，現在也加入了eFPGA的戰場，為我們帶來了ArcticPro系列IP。其主要市場是超低功耗SoC市場，例如藍牙、物聯網等等，它的eFPGA將給這些超低功耗SoC帶來可配置性，從而實現更好的功耗與成本。另外，QuickLogic的eFPGA支持以性價比高著稱的SMIC，也是其一大亮點。

Menta與之前三家相比，其最大的亮點是可移植性最好，因為之前三家公司提供的eFPGA都是GDS硬IP，而Menta能夠提供RTL軟IP，因此可以輕鬆移植到不同的工藝上。

FPGA SoC：老樹發新枝

如果說eFPGA是往SoC裡面加入FPGA的話，那麼FPGA SoC的概念就是在FPGA裡面加上了處理器。FPGA經過這麼多年的發展，已經不只是驗證設計的平台，而變成了一種獨立的設計實現方式。FPGA可快速重配置的特點使它在許多對靈活性有要求的平台如魚得水。

為了能從外部方便地控制FPGA，往往需要在FPGA裡面實現一個微處理器以運行操作系統以及相關程序，然後把程序中可加速的部分使用FPGA裡面的可配置邏輯高效執行。雖然程序中的大部分運算都可以由FPGA加速，但是操作系統部分卻可能成為整體實現的瓶頸：在傳統FPGA中，微處理器往往會用軟核（如MicroBlaze）在FPGA上實現，因此比起用來加速的邏輯部分，微處理器的運行速度會比較慢（時鐘頻率<100 MHz），從而拖慢了整體系統的效率。有鑒於此，Altera和Xilinx都推出了自己的方案，即在FPGA晶元內集成一個微處理器硬核（如ARM系列處理器）。該硬核不使用FPGA而是由定製邏輯實現，因此可以跑在很高的時鐘頻率（～1GHz甚至更高）。因此，在FPGA SoC中，處理器性能不再成為瓶頸，從而使整體系統實現更高性能。

目前Xilinx和Altera都已經推出了FPGA SoC相關產品，並且獲得了用戶的一致認可。然而，FPGA SoC的前景遠遠不止FPGA+高速處理器硬核。大家知道，FPGA開發生態發展較慢，一個重要原因就是硬體邏輯代碼編寫的學習曲線非常陡峭，導致開發者敬而遠之。為了減少開發者的學習成本並加快開發速度，FPGA廠商紛紛推出高級綜合工具（high-level synthesis），可以直接把C語言之類的高級語言翻譯成RTL，從而大大簡化FPGA硬體開發。而FPGA SoC配合高級綜合工具雙劍合璧能讓整個開發流程更簡單：首先開發者用C寫傳統ARM上能跑的程序代碼，之後高級綜合工具把代碼中能夠用FPGA加速的部分轉化成RTL並用FPGA硬體實現，而代碼的其他部分則跑在FPGA SoC中的ARM硬核上面。這樣就讓高性能FPGA開發變得非常容易，可望在未來讓更多開發者能加入FPGA生態。

eFPGA與FPGA SoC，誰將引領下一代可編程硬體之潮流？

那麼，eFPGA IP和FPGA SoC，誰將在未來更受歡迎呢？筆者認為，這兩種生態都表明了SoC在摩爾定律遇到瓶頸的今天走向可配置的潮流，只是eFPGA從SoC的角度出發，而FPGA SoC則是從傳統FPGA的角度出發。這有點類似之前的微處理器，以Intel代表的傳統處理器晶元提供商的技術發展路徑是以處理器為本，並在處理器晶元中集成更多多媒體處理單元，例如集成顯卡，使得處理器更接近SoC；而以ARM為代表的IP提供商則是提供處理器IP，為ASIC中集成合適的處理器IP成為實用的SoC變得更方便。這兩種生態將會同時存在，然後隨著市場的發展或許會在某個中間點融合在一起。讓我們拭目以待！

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1442期內容，歡迎關注。

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