嵌入式FPGA(eFPGA)技術并不是一個新的概念。事實上，幾十年來它已經以各種形式的實現方式存在。那為什么這個技術突然得到這么多的關注?答案在于半導體行業(yè)內兩個基本經濟趨勢出現了交匯點。

　　圖1、eFPGA增加了芯片的靈活性

　　首先，每個新一代的工藝使得開發(fā)成本都在急劇上升。這些都是由抽象設計本身越來越復雜以及實際SoC器件中這些設計的物理實現所驅動的，并且包括諸如軟件工具，工程時間和掩模成本之類的事項。

　　其次(反過來說)，這些新工藝使得器件的單位功能成本一直在下降。例如，二三十年前，FPGA門電路相對昂貴，所以FPGA器件傾向于用于原型設計和預生產設計中，而不是大批量生產的產品中應用，因此設計師試圖將FPGA門電路增加到ASIC的設計中，通常會導致ASIC總體管芯的尺寸和復雜性增加，直到這種新的混合器件變得太昂貴而不切實際。

　　現在不再是這樣了。

　　相反，SoC設計所涉及的高成本增加了沒有相應產品來滿足特定市場需求的風險，并且FPGA門的相對較低的成本意味著嵌入FPGA技術可以獲得一定程度的設計靈活性(從而減少市場風險)，因此具有經濟意義。

　　eFPGA技術的好處

　　但是，除了解決這兩個關鍵經濟趨勢所帶來的挑戰(zhàn)之外，基于eFPGA的設計方法還有其它一些潛在的好處。例如，通過將eFPGA IP與SoC中的其他功能模塊放置在相同的硅芯片上，可以實現低功耗，低延遲以及與其余設計部分的高帶寬連接。這樣做的結果是，具有嵌入式FPGA(eFPGA)模塊的ASIC與單純的ASIC 加 分立式FPGA的解決方案相比，具有更低的功耗，更高的性能，更低的成本以及更少的電路板面積，并且同時仍然保持了設計的靈活性。

　　圖2、eFPGA的應用

　　eFPGA的另一個優(yōu)勢是eFPGA的可重新編程特性使設計團隊能夠輕松地將他們的SoC適應新的，快速變化的或者稍微不同的市場需求，從而延長了產品在市場上的時間，增加了收入，毛利潤率，和產品的整體盈利能力。當SoC-with-eFPGA可以特別有效時，包括快速支持新的或者不斷發(fā)展的接口標準，添加新功能以快速解決新興的競爭威脅，或者為高度分散的市場例如物聯(lián)網(IoT)創(chuàng)造多種形式和種類的產品。

　　最后，將eFPGA技術添加到SoC設計中可以提高總體設計性能，同時降低總功耗。某些功能在FPGA邏輯中具有更高的性能或者更高的功率效率，特別是就像現在在大多數SoC設計中所發(fā)現的那樣如果它們需要片上處理器的靈活性時尤其如此。此外，通過采用大多數嵌入式FPGA技術的可重新編程特性，設計工程師可以創(chuàng)建基于硬件的解決方案，可以對其進行重新配置以適應特定的問題，進一步提高設計性能并降低功耗。

　　實施考慮

　　為了最有效地獲得嵌入FPGA(eFPGA) IP的好處，設計團隊必須考慮其eFPGA實現的各個方面。首先考慮的是綜合工具與其余設計流程之間的集成質量。綜合工具應該明確地支持eFPGA架構，并且應該能夠生成用于高效設計實現的最佳設計網表。例如，QuickLogic與Mentor公司合作為eFPGA技術提供的設計和開發(fā)環(huán)境，尤其是Mentor的Precision Synthesis軟件，該軟件經過優(yōu)化，可以支持該公司的eFPGA IP中使用的QuickLogic ArcticPro架構。

　　圖3、eFPGA的架構

　　合成在設計過程中起著關鍵的作用，因為它對設計結果的質量(QoR，quality of result )影響最大。 QoR度量是多維度的 - 它可能是頻率，面積和功率的函數，取決于用戶的設計要求。綜合工具目前支持符合行業(yè)標準的HDL語言，如Verilog，SystemVerilog(SV2009)和VHDL(VHDL-2008)，以便于實現設計輸入體的靈活性。而且，為了獲得最佳QoR，綜合工具必須對目標架構有深入的了解，才能最佳地映射架構中可用的資源。

　　設計流程中的第二個考慮因素是eFPGA本身實現的軟件質量，因為它將最終確定SoC器件的效率，性能和成本。 FPGA體系結構及其相關的開發(fā)工具傾向于共同演化，因為其中的變化會對另一個產生巨大的影響。因此，那些已經出貨數百萬單元的FPGA，擁有幾十年開發(fā)軟件的公司已經可以提供良好的eFPGA IP /軟件解決方案，這些軟件/IP用于為成千上萬的真實世界的應用提供設計支持。

　　在某些情況下，有經驗的FPGA供應商也學會了如何有效地將eFPGA技術集成到他們自己的SoC器件中，這使得他們可以通過充當自己的技術客戶來進一步完善他們的eFPGA IP產品。例如，QuickLogic開發(fā)了一款適用于可穿戴，可穿戴和物聯(lián)網應用的傳感器處理SoC(圖1)。該器件包括eFPGA技術，因為公司已經了解到，具有可編程邏輯模塊將使其客戶能夠快速實施新的傳感器處理算法和接口標準。

　　作為eFPGA工具本身的用戶，QuickLogic工程師可以快速了解他們需要什么工具以及如何最佳地優(yōu)化eFPGA的設計實施流程。一路上，他們遇到了各種問題并加以解決，最終創(chuàng)建了成功的eFPGA IP集成所必需的全套工具和設計文件。

　　這些工具生成的一些文件包括器件的分站文件，反標注文件和布局數據。器件的封裝文件是一個網表，它定義了eFPGA“黑匣子”端口以及它們如何連接到SoC設計的其余部分。反向注釋文件提供了對設計驗證過程至關重要的庫和時間信息。布局數據包括設計團隊可以用來實例化的物理設計模塊的物理布局信息。

　　在AI(人工智能)，物聯(lián)網(IoT)，安全和其他應用中使用的eFPGA

　　SoC明顯可以用于廣泛的應用中，添加嵌入式FPGA技術僅擴展?jié)撛诘挠美?。但是，有些應用中的SoC-with-eFPGA解決方案提供了比傳統(tǒng)SoC更為顯著的優(yōu)勢。

　　我們已經說明了傳感器處理，其中EOS S3 SoC的嵌入式FPGA(eFPGA)部分使得快速傳感器算法和接口更新得以實現，而無需采用將新版本的器件。與云基礎設施相關的語音處理是人機交互方面的又一個重大進展，能夠快速，輕松地為支持“智能揚聲器”產品的生態(tài)系統(tǒng)如亞馬遜的Alexa中添加新的觸發(fā)詞。

　　圖4、eFPGA適合在物聯(lián)網中的應用

　　高度分散的物聯(lián)網(IoT)市場是eFPGA技術可以帶來實質性收益的另一個好例子。物聯(lián)網(IoT)的整體市場是巨大的，但個別應用很少有自己的大量市場需求。因此，SoC設計人員采用基于平臺的方法是合理的，因為他們的“基礎”器件設備實現了每個應用程序所有共同的功能。然后，eFPGA技術可用于快速，經濟高效地創(chuàng)建多種產品變體，以滿足特定的應用需求。也可以解決突然出現的新應用，而不用花費重新設計ASIC相關的時間和成本。

　　圖5、eFPGA的開發(fā)需要好的開發(fā)工具

　　包括大數據和深度學習的機器學習幾乎所有的應用都可以利用大多數eFPGA解決方案提供的可重構特性。 eFPGA模塊中的硬件可以根據需要進行配置和重新配置，以便宜和高效地解決當今計算機遇到的一些最復雜的問題。

　　另一個很好的例子，現在特別重要的是需要不斷更新基于硬件的安全算法。隨著新的安全漏洞或違規(guī)事件的發(fā)生，提供更新的防御解決方案變得至關重要 - 這些都非常適合SoC中的eFPGA硬件的應用。

　　eFPGA技術的未來

　　鑒于開發(fā)和單位成本趨勢將使嵌入式FPGA技術對SoC設計團隊更具吸引力，eFPGA IP的未來將非常光明。然而，與所有復雜的技術一樣，也存在一些挑戰(zhàn)。其中的一個挑戰(zhàn)就是一個規(guī)模尺寸并不適合所有的如此眾多的eFPGA IP體系結構，規(guī)模和技術的許多可能組合以及跨不同代工廠和工藝節(jié)點的SoC實現。還有一些潛在的集成問題與需要不同數量的金屬層，管理時鐘域邊界以及協(xié)調不同的電源管理方案有關。

　　圖6、eFPGA在SOC中的位置

　　盡管現在eFPGA技術已經有了多種形式，但市場正在從早期采用階段轉向主流階段。 這一趨勢只會在短期內加速。 示例應用程序和最終產品正在變得更容易找到，eFPGA技術的應用范圍包括從移動設備，可聽診斷，可穿戴設備和物聯(lián)網(IoT)到大數據和通信中心，再到可重構計算平臺，再到基于云的人工智能。

　　圖7、eFPGA產品

　　但是，只有當可編程邏輯在SoC內高效集成時，eFPGA技術才會成功。 這需要技術，架構和軟件工具的正確組合，以便開發(fā)團隊擁有完整有效的設計流程，使他們能夠從概念到工作芯片，再到后期制造的市場調整和準備發(fā)運的產品等工序的成功無縫移植。