对于eFPGA与FPGA SoC之间的对比分析和异同

近年来，在终端应用转变，传统芯片面临材料和架构瓶颈等现状的影响下，市场对FPGA的关注达到了前所未有的高度。但传统单纯的FPGA似乎不能满足多样化的需求，从而延伸出eFPGA和FPGA SoC这两个方向。新的嵌入式FPGA和业界一直在努力整合的FPGA SoC，谁会是未来的选择？

eFPGA：冉冉升起的新星

eFPGA即嵌入式FPGA（embedded FPGA），是近期兴起的新型电路IP。

随着摩尔定律越来越接近瓶颈，制造ASIC芯片的成本越来越高。因此，设计者会希望ASIC能实现一定的可配置性，同时又不影响性能。在希望能做成可配置的模块中，负责与其他芯片或者总线通信的接口单元又首当其冲。在芯片中，模块间的通信往往使用简单的并行接口或者配合简单的时序逻辑，但是在芯片间通信时为了保证可靠性，必须通过一系列握手（handshake）协议来完成通信接口。设计者往往希望自己的SoC能够与市面上尽可能多的其他芯片通信，然而市场上的芯片通信接口并没有一个统一标准，同时一些通信协议也在随着时间不断更新换代，因此芯片间通信往往需要一些中介（bridge）芯片。事实上，使用FPGA芯片作为芯片间通信的中介已经是很常见的做法，因为FPGA具有可配置性，因此可以作为通用通信中介。例如，Apple在iPhone7中集成了一小块Lattice的FPGA芯片，据推测就是为了实现芯片间的通信中介和可配置互联。然而，在硬件系统中使用额外的通信中介芯片成本较高，而且也不利于维护，那么，有没有集成度更高的方案呢？这时候，eFPGA就应运而生，通过把一小块FPGA电路IP集成到SoC中充当接口握手协议处理单元，可以大大提高SoC接口的灵活性，因此能与不同的其他芯片进行通信。

除此之外，随着目前异构计算架构的兴起，eFPGA又看到了一种新的可能，即在SoC上实现高集成度的异构计算，让eFPGA随着系统的需求在处理不同的应用时配置成不同的模块。这与Intel收购Altera FPGA的终极目标相同，只是Intel收购Altera之后，Altera的FPGA IP只会集成在Intel的芯片上，而eFPGA厂商则可以把IP提供给任何花钱购买的客户。

eASIC概念第一次进入大众视野可以说是2014年，由UCLA的Cheng C. Wang，Fang-Li Yuan和Dejan Markovic等人在ISSCC发表的文章，“A Multi-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile Computing”。在这篇文章中，作者们通过创造性地设计互联单元，一举解决了FPGA的功耗、性能和成本受到布线资源限制的问题，从而使得eASIC集成到SoC中真正变为可能，而该论文也因其突出贡献获得了ISSCC Lewis Award。之后，Cheng C. Wang，Fang-Li Yuan和Dejan Markovic就利用该论文中的成果成立了FlexLogix，推广eFPGA的概念，并使其真正能够商用化。

到了今年，eFPGA的概念已经获得了业界的广泛认可，而该领域的公司也在慢慢变多。在前几天举行的ARM TechCon中，我们看到了四家公司，分别是FlexLogix，Achronix，QuickLogic以及Menta。

FlexLogix作为eFPGA的先驱，在本届ARM TechCon上推出的新亮点是用于2.5D封装的小型FPGA芯片。该芯片主要解决的问题是，如果ASIC使用成熟工艺（如65nm）实现，但是eFPGA在65nm上跑不到预期的性能怎么办？使用FlexLogix的小型FPGA芯片，就可以把16nm的eFPGA和65nm的ASIC使用硅载片（silicon interposer）之类的2.5D封装技术集成到一起，从而实现客户所需要系统性能。

Achronix的亮点则是高速eFPGA IP。其最新一代的Speedcore IP将会在TSMC 7nm工艺上实现，从而实现最强的性能。另外，Achronix的Speedster FPGA芯片也在出货中。作为首家eFPGA进入量产芯片的公司，Achronix2016-2017年收入猛增，值得关注。

QuickLogic是老牌FPGA厂商，现在也加入了eFPGA的战场，为我们带来了ArcticPro系列IP。其主要市场是超低功耗SoC市场，例如蓝牙、物联网等等，它的eFPGA将给这些超低功耗SoC带来可配置性，从而实现更好的功耗与成本。另外，QuickLogic的eFPGA支持以性价比高著称的SMIC，也是其一大亮点。

Menta与之前三家相比，其最大的亮点是可移植性最好，因为之前三家公司提供的eFPGA都是GDS硬IP，而Menta能够提供RTL软IP，因此可以轻松移植到不同的工艺上。

FPGA SoC：老树发新枝

如果说eFPGA是往SoC里面加入FPGA的话，那么FPGA SoC的概念就是在FPGA里面加上了处理器。FPGA经过这么多年的发展，已经不只是验证设计的平台，而变成了一种独立的设计实现方式。FPGA可快速重配置的特点使它在许多对灵活性有要求的平台如鱼得水。

为了能从外部方便地控制FPGA，往往需要在FPGA里面实现一个微处理器以运行操作系统以及相关程序，然后把程序中可加速的部分使用FPGA里面的可配置逻辑高效执行。虽然程序中的大部分运算都可以由FPGA加速，但是操作系统部分却可能成为整体实现的瓶颈：在传统FPGA中，微处理器往往会用软核（如MicroBlaze）在FPGA上实现，因此比起用来加速的逻辑部分，微处理器的运行速度会比较慢（时钟频率<100 MHz），从而拖慢了整体系统的效率。有鉴于此，Altera和Xilinx都推出了自己的方案，即在FPGA芯片内集成一个微处理器硬核（如ARM系列处理器）。该硬核不使用FPGA而是由定制逻辑实现，因此可以跑在很高的时钟频率（～1GHz甚至更高）。因此，在FPGA SoC中，处理器性能不再成为瓶颈，从而使整体系统实现更高性能。

目前Xilinx和Altera都已经推出了FPGA SoC相关产品，并且获得了用户的一致认可。然而，FPGA SoC的前景远远不止FPGA+高速处理器硬核。大家知道，FPGA开发生态发展较慢，一个重要原因就是硬件逻辑代码编写的学习曲线非常陡峭，导致开发者敬而远之。为了减少开发者的学习成本并加快开发速度，FPGA厂商纷纷推出高级综合工具（high-level synthesis），可以直接把C语言之类的高级语言翻译成RTL，从而大大简化FPGA硬件开发。而FPGA SoC配合高级综合工具双剑合璧能让整个开发流程更简单：首先开发者用C写传统ARM上能跑的程序代码，之后高级综合工具把代码中能够用FPGA加速的部分转化成RTL并用FPGA硬件实现，而代码的其他部分则跑在FPGA SoC中的ARM硬核上面。这样就让高性能FPGA开发变得非常容易，可望在未来让更多开发者能加入FPGA生态。

eFPGA与FPGA SoC，谁将引领下一代可编程硬件之潮流？

那么，eFPGA IP和FPGA SoC，谁将在未来更受欢迎呢？笔者认为，这两种生态都表明了SoC在摩尔定律遇到瓶颈的今天走向可配置的潮流，只是eFPGA从SoC的角度出发，而FPGA SoC则是从传统FPGA的角度出发。这有点类似之前的微处理器，以Intel代表的传统处理器芯片提供商的技术发展路径是以处理器为本，并在处理器芯片中集成更多多媒体处理单元，例如集成显卡，使得处理器更接近SoC；而以ARM为代表的IP提供商则是提供处理器IP，为ASIC中集成合适的处理器IP成为实用的SoC变得更方便。这两种生态将会同时存在，然后随着市场的发展或许会在某个中间点融合在一起。