Simplificación del diseño con tecnología FPGA incorporada

La tecnología eFPGA es muy genérica y funciona como un estándar Chip FPGA para brindar reconfigurabilidad lógica a diseños ASIC y SoC.

Finalmente ha llegado el momento de la FPGA integrada (eFPGA), y eso es evidente por su alcance en chips que sirven a infraestructura inalámbrica, inteligencia artificial (IA), almacenamiento inteligente e incluso microcontroladores sensibles a los costos. Como subsistema de sistema en chip (SoC), al igual que una CPU o DSP, reconfigura dinámicamente la lógica del hardware con tamaños que van desde 1,000 a 500,000 tablas de búsqueda (LUT).

Para tener una posición ventajosa sobre esta tecnología programable emergente, EDN habló con Andy Jaros, vicepresidente de ventas de IP, marketing y arquitectura de soluciones en Flex Logix Technologies. Flex Logix, fundada en 2014 como una empresa de propiedad intelectual, afirma proporcionar un tejido FPGA de alta densidad para facilitar la reconfigurabilidad lógica sin necesidad de que los ingenieros de diseño lleven a cabo un trabajo hercúleo.

Comenzamos la discusión preguntando a Jaros sobre los orígenes de esta tecnología. Jaros es un veterano de la industria de los semiconductores con una trayectoria profesional que abarca desde Arm y ARC hasta Motorola y Synopsys.

Historial:no tan rápido

La noción de eFPGA tiene una historia accidentada que se remonta a la década de 1990. La gente del semiconductor ha estado hablando durante mucho tiempo sobre la incorporación de LUT en ASIC para ganar flexibilidad adicional. Sin embargo, a diferencia de los FPGA que venían con cadenas de herramientas robustas, la escasez de herramientas fue un obstáculo importante en la implementación de IP FPGA embebido en chips.

Jaros recuerda que ha habido afirmaciones sobre la creación de tejido eFPGA durante décadas. “Algunas personas de antiguas empresas de semiconductores dicen que solían hacer eso hace unos 20 o 30 años, pero la forma en que implementaron FPGA integrado ocupó un área grande”.

Los FPGA tradicionales usan una interconexión de malla y el 80% del área en un FPGA está ocupada por la interconexión. El cofundador de Flex Logic, Cheng Wang, desarrolló una interconexión jerárquica que ocupa la mitad del área en comparación con la interconexión de malla. Eso, a su vez, ofrece importantes beneficios de superficie y costes. El proveedor de eFPGA IP también afirma lograr un 90% de utilización de su interconexión; por otro lado, con la interconexión de malla utilizada en FPGA discretas, vemos una utilización de casi el 70%.

Figura 1:Una eFPGA se puede optimizar fácilmente para varios tamaños de bus. Fuente:Flex Logix

Presente:el negocio va bien

La tecnología eFPGA es muy genérica porque su soporte abarca desde instancias muy pequeñas hasta instancias muy grandes para diversas aplicaciones. Un eFPGA, que funciona como un chip FPGA estándar, puede entregar arreglos de cualquier tamaño en cuestión de días.

“Estamos ganando mucho terreno con las empresas de ASIC”, dijo Jaros. "La integración de la funcionalidad FPGA en ASIC mejora el rendimiento y reduce el consumo de energía y el costo a nivel del sistema". Eso permite a los ingenieros de diseño eliminar por completo la FPGA o utilizar una FPGA menos costosa, según los requisitos de la aplicación.

Jaros también señaló que las empresas de sistemas, que tradicionalmente han utilizado FPGA, están comenzando a explorar las IP eFPGA junto con sus socios ASIC. Permite que las casas del sistema permanezcan en los niveles inferiores de la pila intermedia. Además, si bien los requisitos del mercado están cambiando rápidamente, las empresas de sistemas como los fabricantes de equipos originales (OEM) de automóviles y los de nivel 1 no pueden esperar un año para agregar nuevas funciones. "Por lo tanto, algunas configuraciones RTL tienen más sentido que hace 10 años".

Luego, hay MCU de gama alta que están comenzando a incorporar aceleradores de hardware, ya sea para el procesamiento de inteligencia artificial de redes neuronales o la aceleración de código propietario. Estos escenarios suelen utilizar de 16.000 a 20.000 LUT. A continuación, Jaros ve más interés por parte de las empresas de señal mixta. “Lo único que cambia en el lado digital son las máquinas de estado”, dijo Jaros. "Por lo tanto, los diseñadores de señales mixtas están buscando eFPGA para agregar un nivel de configurabilidad para la máquina de estado sin tener que invertir en una MCU y un flujo de herramientas de software completo".

Figura 2:El eFPGA de Flex Logix se basa en EFLX 4K, un mosaico que viene en dos versiones:toda lógica o principalmente lógica con algunos acumuladores múltiples (MAC). Fuente:Flex Logix

Futuro:competencia con FPGA discretas

La percepción común sobre el negocio de eFPGA es que representará una amenaza para el segmento de FPGA autónomo. Sin embargo, lo que están haciendo Intel y Xilinx es desarrollar productos complejos. “Intel y Xilinx se están moviendo hacia el espacio FPGA más grande para admitir centros de datos a gran escala, y para eso, están agregando subsistemas de CPU de hardware alrededor de sus FPGA”, dijo Jaros. "No veo que eFPGA afecte a Intel y Xilinx, ya que están vendiendo FPGA grandes y costosos con muchas funcionalidades".

Agregó que el negocio de eFPGA es muy complementario. "Hemos hablado con la gente de Xilinx e Intel, y no ven ningún conflicto en absoluto". Eso también se debe a que los requisitos de reconfigurabilidad abarcan una amplia gama de segmentos de la industria y, como resultado, es posible que no haya mucho conflicto con las empresas tradicionales de FPGA.

Figura 3:Los proveedores de eFPGA IP no ven mucho conflicto con las empresas tradicionales de FPGA. Fuente:Flex Logix

Otro factor que impulsa el negocio de eFPGA son las empresas que desean controlar su cadena de suministro. Pueden tener sus propias MCU o ASSP alrededor de las cuales han construido pilas de software. Entonces, al agregar algún nivel de reconfigurabilidad de eFPGA, pueden intercambiar algoritmos de seguridad o código propietario.

Las direcciones IP eFPGA están disponibles en varios proveedores y, si bien estas direcciones IP son relativamente más integradoras, la densidad de FPGA está comenzando a tener sentido para ciertas aplicaciones. La otra cosa que ha cambiado el péndulo a favor de las eFPGA es el movimiento hacia nodos de proceso más pequeños. Flex Logix, si bien admite nodos de proceso que abarcan desde 180 nm hasta 5 nm, actualmente se dedica a diseños de chips hasta 3 nm.

"Estamos viendo una mayor disposición a intercambiar un poco de área por la capacidad de configuración", concluyó Jaros. "Entonces, una gran mayoría de chips que se grabarán en los próximos cinco a 10 años tendrán algún grado de contenido eFPGA". Los estándares de rápido movimiento y los algoritmos de IA únicos respaldan esta narrativa y, posteriormente, la promesa de eFPGA en el futuro cercano.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano , EDN.

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