基于嵌入式FPGA解决标准FPGA资源丰富却浪费问题的研究

随着越来越多的智能家电提出了接入互联网的需求来进行远程控制、监测或数据下载，许多公司开始涉足开发接入互联网的嵌入式解决方案，以期能够应用于种类繁多的信息家电以及非PC设备中。

随着逻辑资源的丰富和编程工具的改进，FPGA在机器学习和硬件加速上得到越来越多的重视，目前数据中心已经大量采用，大数据、云计算领域逐步采用FPGA器件。但是除了这些对计算能力和逻辑资源要求很高的应用，市面上还有很多功能简单的小型应用，如果采用现有的“大而全”的FPGA产品，不仅价格昂贵，而且资源浪费。于是有人想到了定制化服务，这样可以让工程师根据产品需求定制合适的FPGA产品，从而达到节约成本和功耗的目的，嵌入式FPGA有望解决这一问题。

最近，Achronix为其eFPGA IP解决方案推出Speedcore custom blocks定制单元块。其市场营销副总裁Steve Mentor介绍，“Speedcore custom blocks定制单元块可以大幅度地提升性能、功耗和面积效率，并支持以前在FPGA独立芯片上无法实现的功能。利用Speedcore custom blocks定制单元块，客户可以获得ASIC级的效率并同时保持FPGA的灵活性，从而带来了一种可以将功耗和面积降至最低、同时将数据流通量最大化的高效实现方式。”

通过两层裁剪让芯片面积缩小多达6倍

FPGA用户都指导，标准FPGA不仅包含FPGA内核中的逻辑设计、各种存储器、DSP以及布线，而且还包含内核以外的可编程I/O、SerDes以及各种接口控制器，这就使得芯片资源丰富，但体积庞大，成本昂贵，因此要实现成本的缩减就要裁掉设计中不必要的资源。Achronix的做法是进行了两层裁剪：

如图所示，第一层裁剪将外部的可编程I/O、SerDes以及各种接口控制器进行裁剪，只留下FPGA内核，这样面积可以缩小50%。

如图所示，裁剪掉外围模块以后，FPGA内核是否可以进一步缩小?那么，先从FPGA内核的结构分析，Steve Mentor指出，“Microsoft在其有关Catapult项目的白皮书中讲了一种云规模的加速架构，包括壳(shell)和应用(Application)，其中shell布局IO及与电路板相关的逻辑电路，应用是核心逻辑，Shell占据了44%的总面积。”

Achronix进行了第二层裁剪，将shell去掉，剩下由用户定义功能的Fusion Custom Block定制单元块，包含在Speedcore的可编程结构中。经过这道裁剪，芯片面积缩减高达75%。

如何定义Fusion Custom Block单元块?

如何实现定义，这是很多用户最关心的问题。Steve Mentor解释，“Achroinx使用内部工具来分析客户的设计，以识别出可以用Fusion Custom Block单元块开进行优化的潜在功能，比如经常使用的重复性功能，从而实现面积缩减、性能提高和功耗降低。现在，Achronix eFPGA IP产品在添加了Speedcore custom blocks定制单元块以后，就使其在拥有可编程性的同时还能够拥有ASIC级的性能以及高片芯面积效率。”

FPGA设计中开发工具很关键，Achronix也提供了ACE设计工具，可以全面支持Speedcore custom blocks定制单元块，可以与存储器和DSP单元块相同的方式，提供从设计捕获到比特流生产和系统调试等功能。

Achronix为每个Speedcore custom blocks定制单元块创建了一种独有图形化用户接口(GUI)，它可以管理所有的配置规则。ACE拥有Speedcore custom blocks定制单元块所有配置的完整的时序细节，支持ACE去完成各种设计基于时序的布局和布线。客户可以用强大的版图规划器来优化设计，并为所有的单元实例去制定局域或者定点的任务安排。ACE还包括一个关键路径分析工具，它可以支持客户去分析时序。客户还可以使用ACE强大的Snapshot嵌入式逻辑分析仪，去创建复杂的触发器并展示Speedcore内的实时信号。

eFPGA既然如此灵活，那么它是否会在未来代替FPGA?Steve Mentor表示，“目前来看，标准FPGA的市场占有率大概是80%，eFPGA是20%，复杂应用的客户中有人愿意在ASIC设计中加入eFPGA，简单应用的客户有些愿意用eFPGA来代替标准FPGA完成设计，但是两者针对的客户群不同，会长期共存。”

“正是eFPGA的市场需求旺盛，Achronix在2017年实现了强劲的销售收入及业务增长，预计销售将超过1亿美元。与TSMC和做的16nm产品已经量产，7nm产品预计在2018年上半年完成测试芯片和首批设计。” Steve Mentor补充。