eFPGA，會有未來嗎？_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-04-29 12:08
據半導體行業觀察瞭解，目前國內有多家FPGA公司在做eFPGA的相關業務，但eFPGA的利潤比FPGA要少很多，他們的邏輯是什麼？據業內專業人士指出，eFPGA相當於FPGA內核IP授權，想像ARM那樣賺錢，這不太容易。那麼，eFPGA是否有未來呢？
眾所周知，與幾年前相比，當前的FPGA公司格局大不相同。幾年前，Altera被英特爾收購。Xilinx正在與AMD合併的過程中。過去很多年的FPGA初創公司都已不復存在。同時，一些新公司的差異化技術正在成功地被市場採用。但是eFPGA本身並不是新產品，eFPGA這種產品形式的出現可以説改寫了FPGA產品的走向。。
什麼是eFPGA？
首先，什麼是eFPGA？嵌入式FPGA（eFPGA）是嵌入在定製SoC或ASIC器件中的FPGA IP內核。該IP可被許可使用，其用途與半導體設計中使用的其他IP相似。
為什麼eFPGA突然引起如此大的關注？**主要有兩點：一是開發成本隨着每一代新工藝的產生而急劇上升。**這些都是由抽象設計本身的複雜性以及在實際SoC器件中這些設計的物理實現所驅動的，包括軟件工具、工程時間和掩模成本等項目。**第二(相反地)，這些設備的單位功能成本一直在下降。**例如，二三十年前，FPGA門相對昂貴，因此FPGA設備傾向於用於原型和預生產，而不是大規模生產應用。所以以前試圖在ASIC中添加FPGA門通常會增加總體的模具尺寸和複雜性，以至於新的混合器件將變得過於昂貴而不實用。
現在，FPGA門的成本已降低。取而代之的是，SoC設計涉及的高成本增加了因沒有合適的產品來滿足特定市場需求而帶來的風險，而FPGA門的相對較低的成本意味着嵌入FPGA技術可以獲得一定程度的設計靈活性（因此降低市場風險）具有經濟意義。
與獨立FPGA的設計過程不同，eFPGA設計人員可以為其客户的應用選擇所需的邏輯，DSP和存儲器資源的確切數量。當移入大批量生產時，eFPGA還可以通過消除獨立的FPGA來降低系統成本，功耗和電路板空間。具體來看，相比FPGA，eFPGA具有如下優勢：
**更高的性能：**eFPGA通過廣泛的並行接口連接到ASIC，從而提供了更高的吞吐量，並且延遲以單位個數的時鐘週期計算；
**較低的功率：**可編程I / O電路佔獨立FPGA總功耗的一半。eFPGA具有直接與SoC的有線連接，從而完全消除了大型可編程I / O緩衝器。可以根據您的要求精確調整eFPGA的大小，並且您可以調整處理技術以權衡性能與功耗之間的關係。
**降低系統成本：**eFPGA的管芯尺寸比獨立的FPGA小得多-消除了可編程I / O緩衝器，未使用的DSP和存儲器模塊以及超額配置的LUT和寄存器。傳統的FPGA引腳數大且引腳間距緊密，因此您必須製造多層PCB。嵌入式FPGA消除了對專用PCB以及所有支持組件（如電源調節器，時鐘發生器，電平轉換器和無源組件）的需求。
**更高的系統可靠性和良率：**將FPGA功能集成到ASIC中可改善系統級信號完整性，並消除與在PCB上安裝獨立FPGA有關的可靠性和良率損失。
現在eFPGA可以從多家供應商，各種代工廠（台積電，格芯，中芯國際和三星）以及工藝節點（例如180、40、28、22、16、14、12和7nm）上購得。
eFPGA玩家層出，國外居多
這幾年eFPGA的玩家真是如雨後春筍般的崛起。國外的eFPGA玩家中不乏有新老玩家的切入：Achronix、QuickLogic、Flex Logix、Menta、Adicsys、NanoXplore、ADICSYS、Efinix，他們有的提供軟IP，有的提供硬IP。國內的FPGA相對起步晚，eFPGA更晚一些，目前瞭解到中科億海微在做eFPGA。在此，我們簡單説幾家有代表性的eFPGA廠商。
説到eFPGA，真正讓eFPGA火起來走進大眾視野的當屬Achronix，此前該公司一直銷售高端FPGA，而在後來開始提供嵌入式FPGA（eFPGA IP）。Achronix的Speedcore是第一個投放市場的eFPGA IP，Speedcore eFPGA專為計算和網絡加速應用而設計，基於與Achronix的Speedster22i FPGA相同的高性能架構，該架構已經批量生產多年。
Achronix是唯一一家在前沿工藝節點上提供FPGA芯片和IP產品的獨立公司，目前其正在通過SPAC上市。PCIe 5.0的出現，以及希望在網絡路線圖上利用其技術來構建加速器卡的越來越多的潛在客户，Achronix迎來了很大的發展契機。
最近，他們已經將自己的FPGA調整為成為下一代數據中心核心的DPU。而其競爭對手Xillinx和Altera由於擁有x86所有權而被限制，並在此過渡中扮演次要角色。因為如亞馬遜，阿里巴巴，百度，谷歌，Facebook，微軟和騰訊都希望對未來數據中心的硬件/軟件結構進行完全的垂直控制。他們希望通過內部的芯片工作以及與規模較小的公司的合作伙伴關係來開發自己的解決方案。他們可以將Achronix的IP與ARM和Synopsis的其他IP集成在一起，以構建自己的自定義DPU。
Blake解釋道:“隨着時間的推移，如果你看看集成電路或ASIC不斷發展，它們會逐步集成更多的能力，從內存到高速SERDES再到DSP塊，然後是cpu和ML處理器。這種整合路徑很常見。我對嵌入式FPGA的看法是，為什麼ASIC或SoC公司不集成FPGA？很早之前，我就知道這不是“如果”，而是“什麼時候”。隨着最新一代的使用模式和高端市場更廣泛的應用，這是有道理的。”他補充説，他們的雙重業務模式是使他們能夠藉助高價值的授權抵禦行業衝擊的關鍵。其實這種模式就如同現在的Arm的業務模式。
在Achronix看來，如果他們以較低的許可費和特許權使用費對較小的內核進行許可，而對較大的內核進行更高的製造許可費和每個設備的芯片特許權使用費，這些設備可以是按百萬美元數量級的“小”設備，也可以是按1,000萬美元至2,000萬美元範圍的“大”設備。他們正在利用其他公司的研發團隊來開發包含我們技術的產品，而且他們沒有製造成本。這是一項利潤率非常高的業務。
而英特爾和AMD永遠不會為其核心FPGA IP授予許可。IP許可業務是隻有獨立公司才能從事的業務。現在已經不像過去那樣賺錢了，現在的雲服務提供商正積極尋求擺脱像英特爾這樣的供應商所依賴的過時的商業模式，那麼這個行業必須發展。事實上，儘管擁有Altera，英特爾仍在使用Achronix，這充分説明了Speedster 22i的質量。
今年3月初，Flex Logic表示已擴大與DARPA的EFLX eFPGA技術的許可協議。該協議使DARPA研究人員能夠保留硬連線電路的所有優勢，同時還增加了在流片後需要修改，更新或修復其算法或加速器中的功能性錯誤時更改電路的功能。自2017年與DARPA合作以來，Flex Logix已向許多美國政府資助的程序提供了eFPGA，這些程序需要eFPGA在更高級節點的芯片中具有靈活性和可重編程性。
最近他們開始將業務聚焦在AI上，目前其已完成5500萬美元的D輪融資，將用於擴大其業務的人工智能（AI）推理部分。他們的推理芯片InferX X1目前正在向客户提供樣品。這筆資金將使其能夠提高該芯片的產量，並組建新的銷售團隊以專注於這一方面的業務。InferX X1芯片和電路板將在2021年中期投入量產，同時還將提供InferX Inference編譯器，該編譯器將使用Tensorflow Lite和ONNX神經網絡模型，並生成運行InferX X1的代碼，而無需其他解決方案所需的詳細編程。
Flex Logix的推理體系結構針對邊緣百萬像素視覺應用程序所需的低延遲操作進行了優化。它將眾多一維張量處理器與可重新配置的高帶寬，無阻塞互連結合在一起，使神經網絡模型的每一層都可以配置為最大程度地利用，從而以較低的成本和功耗實現了非常高的性能。處理模型時，將在百萬分之一秒內重新配置計算和內存之間的連接。該體系結構是Flex Logix的InferX X1邊緣推理加速器的基礎，該加速器現在正在運行YOLOv3對象檢測和採樣以吸引主要客户。
“這種可編程互連架構是從eFPGA架構演變而來的。僅僅兩年多以前，一位客户正在徵求有關如何在FPGA上實現推理的建議。我的聯合創始人提出了一個新架構InferX。在許多FPGA中，其中80％用於可編程互連，而不是可編程邏輯。相同的可編程互連用於推理，它是非阻塞的，可滿足客户解決延遲問題的需求。”Flex Logix的首席執行官兼聯合創始人Geoff Tate在接受EE Times採訪時表示。
除了這兩家，其實在歐洲也有一家eFPGA正在迅速發展，那就是來自法國的Menta。Menta是歐洲唯一經過驗證的半導體eFPGA提供商。據官網介紹，Menta是一傢俬有公司，為SoC，ASIC或ASSP設計提供100％第三方標準單元嵌入式FPGA IP。我們的技術使用户可以毫不費力地更新芯片的後期生產，無論是修復錯誤，實現客户特定的功能，適應不斷發展的標準，還是增強安全性。Menta IP與Origami工具鏈一起提供，以從RTL生成比特流，包括合成。
國內的中科億海微電子科技（蘇州）有限公司成立於2017年1月，是由中科院電子所旗下產業化平台聯合研究院可編程芯片與系統研究領域的核心技術團隊，研製具有高可靠性的嵌入式可編程IP 核、可編程芯片和EDA軟件，實現可編程芯片軟硬件的全面自主可控。其eFPGA產品為億靈犀 eLinkSeas，LUT數量為640~92000，支持境內40nm工藝。
eFPGA是否有未來？
説eFPGA的未來，不妨借鑑下Arm的發展路徑，Arm自1990年開始授權處理器IP，到2019年，它獲得了5.5億美元的新處理器許可（它們的專利使用費收入要高得多），這是經過30年的市場發展之後的結果。eFPGA還較新，Allied Market Research預測，2024年eFPGA許可收入將增長至3億美元。
eFPGA在成本，功耗，性能和電路板複雜度方面的優勢非常可觀，有趣的是，什麼樣的應用程序成為採用eFPGA的“最佳落地點”。2021年3月，Achronix宣佈客户的ASIC中已經發貨了1000萬個Speedcore eFPGA IP內核。這顯示了eFPGA IP技術的快速增長以及Achronix的Speedcore eFPGA IP解決方案的質量。
好消息是，如今，雲廠商大舉進攻ASIC芯片，紛紛開始投入自研行列，相比較而言，這些雲廠商大多財大氣粗，勢必給eFPGA的發展帶來很大的契機。ASIC / SoC設計中大量的選擇和eFPGA技術的迅速採用，對賽靈思和英特爾等公司的獨立FPGA的統治地位構成了新的威脅，具有嵌入式結構的第三方SoC可能會與兩家大公司的SoC FPGA產品競爭。
按照eFPGA供應商Menta的觀點，對於那些需要大量可編程邏輯資源的小批量，高價值的應用，FPGA發揮了出色的作用，我們這裏説的是數百萬個LUT。例如，在數據中心中，獨立FPGA上的AI工作負載正在大大打擊GPU，但是，在邊緣和負載方面，將成本和低功耗作為首要考慮因素時，獨立的FPGA並沒有多大意義，進行原型設計時除外。微軟已在Azure中廣泛部署了FPGA，在某個時候，數據中心可能會將eFPGA集成到ASIC中，以更有效地利用eFPGA的性能優勢。AI領域也是，如前文所説，Flex Logix使用eFPGA開發優化的推理加速器InferX X1，Achronix也正在為AI實現優化的MAC。
Menta還在客户中看到了另一種現象，可配置性。在使用eFPGA之前，一些客户可能會擁有數百種功能稍有不同的不同芯片。現在，藉助少量的eFPGA，他們可以擁有一個裸片，由此可以生產100個不同的SKU，而沒有庫存風險。這對他們來説是無價的。
最後，特別是在加密技術中，eFPGA可以起到更高的安全性。如果加密被硬連接到門中，則始終可以進行逆向工程。如果僅在運行時將其加載到ASIC中（您可以使用eFPGA進行此操作），則進行逆向工程將更加困難。
除了上面這些，在通信，自動駕駛，高頻交易，挖礦在這些市場中，ASIC和SoC是可預見的未來的真正贏家。實際上，eFPGA的應用似乎是無止境的，隨着客户提出如何使用eFPGA的學習曲線，並不斷要求供應商支持新特性和功能以改善其價值主張，它將繼續發展，真正的客户需求將成為eFPGA未來發展的原動力。
然而，與所有複雜的技術一樣，也存在一些挑戰。其中之一是，eFPGA有節點限制，所以並不適合所有人，eFPGA IP架構、尺寸和技術以及跨不同代工廠和流程節點的SoC實現有很多很多可能的組合。還存在與需要不同數量的金屬層、管理時鐘域邊界和協調不同電源管理方案相關的潛在集成問題。
然而，eFPGA技術只有在可編程邏輯有效集成在SoC內時才能成功。這需要技術、架構和軟件工具的正確組合，以便開發團隊有一個完整和有效的設計流程，使他們能夠無縫地從概念到工作硅，再到生產後市場調整和準備發貨的產品。
未來，eFPGA技術能否像今天的Arm處理器一樣普及值得我們深思。