什么是eFPGA？

一、eFPGA简介

eFPGA（嵌入式FPGA）以IP的形式将一个或多个FPGA嵌入ASIC、ASSP或SoC等芯片中。该IP可以获得使用许可，其用途与半导体设计中使用的其他IP类似。

换句话说，eFPGA是一种数字可重新配置的结构，由可编程互连中的可编程逻辑组成，通常表现为矩形阵列，数据输入和输出位于边缘周围。eFPGA通常有数百或数千个输入和输出，可以连接到总线、数据路径、控制路径、GPIO、PHY或所需的任何设备。

为什么eFPGA吸引了如此多的关注？主要有两点：首先，随着每一代新流程的产生，开发成本都在急剧上升。这是由抽象设计本身的复杂性以及这些设计在实际SoC设备中的物理实现所驱动的，包括软件工具、工程时间和掩模成本等项目。其次（反之亦然），这些设备的每单位功能成本一直在下降。例如，二三十年前，FPGA门相对昂贵，因此FPGA设备往往用于原型设计和预生产，而不是大规模生产应用。因此，以前在ASIC中添加FPGA门的尝试通常会增加整体管芯尺寸和复杂性，以至于新的混合设备变得过于昂贵而无法实现。

SoC中的eFPGA

SoC设计所涉及的高成本增加了与没有合适的产品来满足特定市场需求相关的风险，而FPGA门的相对低成本意味着嵌入FPGA技术可以实现一定程度的设计灵活性（从而降低市场风险），这在经济上是有意义的。

与独立FPGA的设计过程不同，eFPGA设计者可以选择客户应用程序所需的逻辑、DSP和内存资源的确切数量。当进入大批量生产时，eFPGA还可以通过消除独立的FPGA来降低系统成本、功耗和板空间。

二、eFPGA的优势

与FPGA相比，eFPGA具有以下优势。

更高的性能：eFPGA通过广泛的并行接口连接到ASIC，从而提供更高的吞吐量和以个位数时钟周期测量的延迟。

低功耗：可编程I/O电路占独立FPGA总功耗的一半。eFPGA具有与SoC的直接有线连接，从而完全消除了大型可编程I/O缓冲器。eFPGA的大小可以精确地满足您的需求，您可以调整处理技术来权衡性能与功耗。

较低的系统成本：eFPGA的核心尺寸比独立FPGA小得多，消除了可编程I/O缓冲器、未使用的DSP和内存模块以及过度配置的LUT和寄存器。传统的FPGA引脚数量大，引脚间距小，所以必须构建多层PCB。嵌入式FPGA消除了对专用PCB和所有支持组件的需求，如功率调节器、时钟发生器、电平转换器和无源组件。

更高的系统可靠性和产量：将FPGA功能集成到ASIC中可以提高系统级信号的完整性，并消除与在PCB上安装独立FPGA相关的可靠性和产量损失。

eFPGA现在可从多个供应商、各种铸造厂（台积电、莱迪思、中芯国际和三星）和工艺节点（例如180、40、28、22、16、14、12和7nm）获得。

到今天，eFPGA的概念已经得到了行业的广泛接受，该领域的公司数量也在慢慢增加。

FlexLogix公司

FlexLogix是eFPGA的先驱，提供构建灵活芯片和加速神经网络推理的解决方案。其eFPGA平台使芯片能够灵活地处理不断变化的协议、标准、算法和客户需求，并实现可重新配置的油门踏板，与处理器相比，可以将关键工作负载加速30到100倍。

快速逻辑

QuickLogic是一家成熟的FPGA供应商，专注于开发用于人工智能（“AI”）、语音和传感器处理的低功耗、多核半导体平台和知识产权（“IP”）。其主要市场是超低功耗SoC市场，如蓝牙、物联网等。其eFPGA将为这些超低功耗SoC带来可配置性，从而带来更好的功率和成本。此外，QuickLogic对以性价比著称的中芯国际的eFPGA支持也是一大亮点。

Menta公司

Menta是欧洲仅存的eFPGA供应商。它是欧洲唯一一家经过验证的可编程逻辑供应商，可以将其IP嵌入客户SoC和ASIC。这种可编程逻辑采用嵌入式FPGA IP的形式。它为客户提供了从他们的SoC中提取一小部分并拥有它的可能性

SoC，并让它实现一个低功耗FPGA，该FPGA可以由他们或现场客户编程。

纳米Xplore

NanoXplore是一家总部位于法国的公司。该公司是为最先进的FPGA核心设计大规模可编程逻辑阵列的先驱。NanoXplore在领先的铸造厂提供先进的经硅验证的eFPGA IP，支持高达28nm的经验证技术。NanoXplore还开发了一种高度创新的电子设备诊断技术，称为硅评级。

阿迪达斯

ADICSYS是一家无晶圆厂半导体公司，为ASIC和SOC设计和许可软FPGA IP。这些可编程内核可以很容易地完全集成到用户的RTL设计流程中。ADICSYS在定制FPGA和eFPGA项目以及领先的半导体产品方面积累了十多年的经验。与其他IP一样，在ASIC中包含FPGA功能的独特机会带来了修改功能所需的灵活性，而无需重新设计芯片，或允许设备满足广泛的应用要求。在这两种情况下，更好地控制NRE和TTM是可能的。

埃菲尼

Efinix是可编程产品平台和技术的创新者。该公司的Quantum可编程技术使ASIC、ASSP和FPGA领域的先进可编程芯片产品成为可能。凭借Quantum的功率性能领域优势，Efinix产品满足了高容量、低功耗和小尺寸产品的需求。efinix专注于基础设施、数据中心和先进硅工艺的联合开发活动进一步扩大了公司在可编程行业的领导地位。

在半导体初创公司稀少的时代，这些eFPGA初创公司呈指数级增长。Flex Logix和Menta等公司已经获得了大量投资，Acronix和QuickLogic等公司根据内部增长预期对eFPGA进行了大量投资。

四、关于eFPGA的常见问题

1.eFPGA能否以我的设计所需的频率运行？

与ASIC相比，大多数FPGA设计不在相同的频率下工作。事实上，FPGA并不能在高时钟频率下获胜。FPGA的高性能主要通过极高的硬件并行处理能力、深度流水线和高位宽总线来实现。

嵌入式FPGA，或称eFPGA，本质上也是可编程逻辑阵列，因此仅就操作频率而言，它们无法与ASIC相媲美。

然而，业界和学术界正在不断研究突破FPGA频率限制的方法。例如，英特尔在其新一代高端FPGA产品Stratix10中采用了HyperFlex架构，该产品在可编程逻辑单元之间引入了多个寄存器阵列，可以将FPGA的运行速度提高1.5到2倍。

许多应用场景对误差的容忍度很高，因此对FPGA进行简单的“超频”可以以很小的精度损失概率为代价，极大地提高FPGA的性能。

2.eFPGA的功耗会不会太大？

这个问题的答案应该是否定的。不仅如此，eFPGA的功率密度通常远低于FPGA或ASIC和SoC上的其他IP。

对于传统的FPGA，其主要的“功耗”之一是FPGA的可编程I/O部分。eFPGA通过片上总线直接连接到ASIC的另一个IP，这直接去除了原始FPGA的I/O部分，从而降低了大部分功耗。

另一方面，如前一个问题所述，eFPGA的频率远低于ASIC或SoC上的其他IP，这使得eFPGA的动态功耗相对较低。

3.eFPGA能为我的设计提供足够的带宽吗？

对于传统的FPGA设计，系统性能在很多时候直接受到FPGA芯片上I/O引脚数量的限制。特别是对于许多通信、网络和高性能计算应用，FPGA芯片需要提供大量高性能SerDes收发器和通用I/O引脚，用于数据交换和传输到外部系统，这通常受到芯片封装技术的限制。

相比之下，eFPGA没有引脚数限制，因为它本质上是集成在ASIC中的IP核心。因此，与FPGA相比，eFPGA与ASIC或SoC之间的通信带宽可以增加10倍以上。事实上，这是创建和使用eFPGA的主要驱动因素之一。

电子可编程门阵列

eFPGA不是芯片到芯片的连接，而是通过芯片上不同IP的连接直接通信，这大大提高了通信带宽，降低了通信延迟。

4.使用eFPGA会导致芯片面积过大？

ASIC或SoC工程师第一次看到FPGA时，通常会对FPGA芯片的尺寸感到震惊，因为通常情况下，FPGA芯片太大了。

一般来说，FPGA的主要芯片面积的一半是可编程逻辑单元，另一半是可编程序I/O和相关电路。可编程I/O是FPGA的资产之一，它允许它们与几乎任何其他芯片或系统通信，包括微处理器、ASIC、存储器和其他FPGA。这就是为什么可编程I/O部分的芯片面积如此之大的原因。

与FPGA相比，eFPGA不需要实现可编程I/O部分，因为与eFPGA通信的ASIC IP在设计时是固定的。当去除可编程I/O部分时，对于相同的FPGA逻辑密度，eFPGA的芯片面积大大减小。

5.使用eFPGA的成本会高吗？

Acronix是领先的eFPGA提供商之一，其营销副总裁Steve Mensor表示，使用eFPGA的成本“并不比其他IP更贵”

应该从两个角度来看待使用成本。第一个是用户的直接货币成本，即为芯片或IP支付的资金。另一个是购买的IP可以提供的功能的多样性，也就是说，实现某个功能的成本是共享的。对于FPGA或eFPGA来说，它们最强大的功能是能够实现不同的用户逻辑，并在芯片流动后修改功能逻辑，从而显著降低SoC和ASIC的开发风险，增加设计的灵活性。