嵌入式FPGA IP正在發(fā)現(xiàn)更廣闊的用武之地

作者：郭道正，職務(wù)：Achronix Semiconductor中國區(qū)總經(jīng)理

在日前落幕的“中國集成電路設(shè)計業(yè)2023年會暨廣州集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇（ICCAD 2023）”上，Achronix的Speedcore?嵌入式FPGA硅知識產(chǎn)權(quán)（eFPGA IP）受到了廣泛關(guān)注，預(yù)約會議、專程前往或者駐足詢問的芯片設(shè)計業(yè)人士的數(shù)量超過了往屆，表明了越來越多的國內(nèi)開發(fā)者正在考慮為其ASIC或SoC設(shè)計添加高性能eFPGA邏輯陣列。

眾多潛在用戶的需求，反映了當(dāng)前各行各業(yè)都在加速導(dǎo)入智能化技術(shù)，并利用eFPGA來在其ASIC或SoC中添加硬件數(shù)據(jù)處理加速功能，并為不斷演進(jìn)的算法或者標(biāo)準(zhǔn)保留可編程性。Speedcore eFPGA IP包括了查找表、存儲器、數(shù)字信號處理器（DSP）和機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）等構(gòu)建模塊。它們都采用了模組化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以支持客戶根據(jù)其客制化終端系統(tǒng)的需求，來量身定制相應(yīng)的資源組合。

Achronix的Speedcore IP以GDSII格式提供，同時提供相應(yīng)的文檔，以支持設(shè)計師將Speedcore eFPGA實例集成到其特有的ASIC之中。Achronix還提供配套的ACE設(shè)計工具，用于編譯針對Speedcore eFPGA的設(shè)計。目前，Speedcore eFPGA IP已被全球數(shù)十家領(lǐng)先的科技企業(yè)采用，總的出貨量超過了1500萬。

簡要功能介紹

由于Speedcore eFPGA是一款嵌入式IP，因此它被設(shè)計為整個ASIC的一個單元組件，被ASIC的其他完全定制的單元模組所包圍（見下圖）。Speedcore eFPGA包括以下功能:

• 可編程內(nèi)核邏輯陣列，具有客戶自定義的功能
• 內(nèi)核I/O環(huán)
• FPGA配置單元（FCU）
• 配置存儲器（CMEM）
• 用于調(diào)試和編程的接口
• 用于測試的接口（DFT）

核心資源介紹

通過選擇下列每種資源的數(shù)量，就可以定義一個定制Speedcore eFPGA IP的功能：

• 邏輯 - 6輸入查找表（LUT），加上集成的快速加法器
• 邏輯RAM - 兩種選擇：
• 用于LRAM2k的每個存儲器單元的容量最多可達(dá)2Kb，其中包括與MLP緊耦合的存儲器
• 用于LRAM4k的每個存儲器單元的容量最多可達(dá)4Kb
• Block RAM - 兩種選擇：
• 用于BRAM20k的每個存儲器單元的容量最多可達(dá)20Kb
• 用于BRAM72k的每個存儲器單元的容量最多可達(dá)72Kb，包括與MLP緊

耦合的存儲器

• DSP64 - 每個單元模塊有一個18 x 27乘法器、64位累加器和27位預(yù)加法器
• MLP - 機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）模塊，包含乘法器、加法器、累加器和緊耦合存儲器（包括BRAM72k和LRAM2k）

交付與應(yīng)用價值

由于Achronix采用了根據(jù)客戶需求來定制GDSII的商業(yè)模式，每個Speedcore eFPGA實例的資源模塊的數(shù)量和組合都是基于客戶需求來搭配提供。Achronix的Speedcore eFPGA IP可用于臺積電（TSMC）的16FF+、16FFC、12FFC、7nm、5nm和3nm工藝技術(shù)節(jié)點，也可以移植到其他工藝節(jié)點上。

在ASIC或者SoC中嵌入Speedcore eFPGA將帶來諸多好處，與一款獨立的FPGA芯片相比，Speedcore eFPGA IP提供了以下優(yōu)點：

• 降低功耗多達(dá)75%
• 節(jié)省90%的成本
• 延遲縮短到1/100，同時帶寬提高了10倍。

因此，Speedcore eFPGA具有極高的應(yīng)用價值

開發(fā)與編程

Achronix是唯一一家可以同時大批量生產(chǎn)并交付eFPGA IP和獨立FPGA芯片的公司，而且它們都采用同一套ACE開發(fā)工具來支持。設(shè)計人員可以100％確信Speedcore eFPGA IP將會正常工作，因為它在Achronix的Speedster系列獨立FPGA 芯片中已得到了全面的驗證，并且經(jīng)過了大量的流片驗證。

由于Speedcore eFPGA IP采用的是與Achronix的獨立FPGA芯片和搭載Achronix Speedster7t FPGA芯片的VectorPath加速卡相同的工具，開發(fā)人員可以先在這些獨立FPGA芯片或者加速卡上完成設(shè)計，然后再移植到Speedcore eFPGA上?？蛻艨梢赃x擇以下所列配置接口中的一項或多項組合來進(jìn)行編程：

• JTAG
• 并行CPU（x1、x8、x16、x32、x128數(shù)據(jù)寬度模式）
• 串行閃存（1個或4個閃存器件）
• 128位AXI總線

總結(jié)與展望

Achronix的Speedcore eFPGA IP保持了高端FPGA的性能，最高運行頻率可達(dá)750MHz，典型的運行頻率也可以達(dá)到300MHz-500MHz，可以為ASIC或者SoC提供高性能硬件加速，是諸多智能化應(yīng)用和邊緣計算的理想選擇，因而被領(lǐng)先科技企業(yè)選擇用于通信基礎(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)加速、智能駕駛和金融科技等多種應(yīng)用中。

從我們在ICCAD 2023上與客戶的交流來看，一些領(lǐng)先的國內(nèi)系統(tǒng)公司和芯片設(shè)計企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到eFPGA的優(yōu)點與價值，并進(jìn)一步在探討與Achronix進(jìn)行基于eFPGA的chiplet等新的合作模式。因此，我們可以展望在未來幾年中，集成了Speedcore等eFPGA的ASIC或者SoC將是智能化和高速網(wǎng)聯(lián)等領(lǐng)域內(nèi)芯片設(shè)計企業(yè)的一條重要的創(chuàng)新之道。