為何說嵌入式FPGA改變了芯片和SoC的未來設計方式

　　芯片設計人員今天面臨的最關鍵的問題之一是在設計過程中實時重新配置RTL，甚至在系統中也是如此。不幸的是，芯片設計人員無法及時知道是否必須這樣做。在這一點上，任何變化都會花費數百萬美元，并將項目推遲數月。

　　有了嵌入式FPGA，這個問題便解決了。芯片設計人員在開展項目時，會知道他們在項目期間擁有隨時更改RTL的靈活性，這是前所未有的。

　　因為嵌入式FPGA是一種新技術，在開始介紹之前，我們要將其與已經存在了幾十年的標準FPGA之間的差別說出來。從根本上講，嵌入式FPGA是一個IP block，允許將完整的FPGA集成到SoC或任意類型的集成電路中。正如RAM，SERDES，PLL以及處理器一樣，從單獨的芯片轉變成常規的IP block。FPGA現在也是一個IP區塊。

　　FPGA在可編程互連結構中組合了可編程/可重配置邏輯塊陣列。 在FPGA芯片中，芯片的外緣由GPIO，SERDES和專用PHY(如DDR3 / 4)組成。 在高級FPGA中，I/O環約占芯片的1/4，架構約占芯片的3/4。“架構”本身在如今的FPGA芯片中大多是互連，其中20-25%的結構面積是可編程邏輯，75-80%是可編程互連。

　　嵌入式FPGA是一種沒有周邊環形GPIO，SERDES和PHY的FPGA架構。相反，嵌入式FPGA使用標準數字信號連接到芯片的其余部分，實現非常寬，非常快的片上互連。

　　深入嵌入式FPGA內部之原始的構造塊

　　FPGA中的可編程邏輯塊是查找表(LUT)，它可以通過編程實現任意布爾函數：4個，5個或6個輸入具有一個或兩個輸出。

　　在Flex Logix EFLX陣列中，LUT是一個雙4輸入LUT，它可以組合形成一個5輸入LUT。LUT輸出可以任意存儲在觸發器中。LUT通常被分組為具有進位邏輯的四個組，以便于加法器和移位器。

　　另一個可編程邏輯塊是MAC(乘法累加器)或DSP加速器塊。

　　在Flex邏輯EFLX陣列中，有一個22位預加器，一個22x22乘法器和一個4位后置加法器/累加器。 MAC可以組合或級聯以實現快速DSP功能。

　　可編程邏輯塊由設置LUT數值的配置位編程，選擇是否旁路使用觸發器，是否激活進位邏輯等。配置位還對MAC的操作進行編程。通常在FPGA中，配置位從外部閃存加載。

　　對于嵌入式FPGA，它是相同的，因為幾乎所有的SoC都有一個從外部閃存引導的ARM/ARC /MIPS等處理器。同樣的閃存用于存儲嵌入式閃存的配置位。

　　可編程邏輯塊接收輸入并將輸出發送到互連網絡，該互連網絡允許從FPGA架構中的任意邏輯塊可編程地進行連接。互連結構同樣也由配置位編程。互連結構通常是FPGA架構的主體。

　　嵌入式FPGA的主要區別是互連結構的設計。最佳互連使用較小的面積和較少的金屬層，同時提供資源的高利用率。

　　與FPGA芯片不同，嵌入式FPGA中沒有PHY/SERDES/PLL。嵌入式FPGA中有一個I/O環，但它是真正簡單的數字互連到芯片的其余部分。嵌入式FPGA有成百上千的互連，它們可以在芯片內全速運行。這種I/O寬度和帶寬的增加是將FPGA嵌入到芯片的巨大優勢。

　　嵌入式FPGA內部之構建任意規模和結構的陣列

　　當中的一個復雜問題是客戶需要各種規模和結構的嵌入式FPGA，并且人人都希望在使用芯片前可以在硅片中驗證IP塊。

　　例如，在16nm中，客戶可能希望僅需要幾百個可編程邏輯的LUT就可以讓快速可重構控制邏輯運行在1GHz;而在同一進程中的另一客戶可能想要50K-100K個LUT作為數據中心處理器加速器。如何能夠滿足這些客戶最少的設計投資和上市時間?

　　Flex Logix使用平鋪構造塊的方法。首先，使用上述方法設計4個EFLX IP核。每個IP核都是一個獨立的FPGA，但它們也可以陣列化，提供大約75個EFLX陣列，從100 個LUT到122.5K個LUT，以及任何邏輯/DSP的混合。

　　每個EFLX IP核都有額外的頂層互連，允許IP核自動連接到周圍的IP核，使大型陣列的規模為NxN。

　　EFLX-100陣列的規模為5x5或3，000個LUT(在EFLX-100中實際上有120個LUT)。

　　EFLX-2.5K接管2500個LUT，規模為122.5K個LUT。

　　陣列可以是全邏輯或全DSP或這兩種核心的任意組合，如下圖所示：

　　還可以在嵌入式陣列中嵌入大量的RAM。Flex Logix通過使用標準RAM編譯器來生成客戶請求的任何類型的RAM(單端口，雙端口;ECC/奇偶校驗/無;根據需要而定)，并在核心之間定位RAM。RAM是單個EFLX陣列的一部分。

　　使用上述方法可以允許少量IP核生成幾乎無限種類的嵌入式FPGA陣列，以滿足任何客戶需求。

　　嵌入式FPGA內部之在硅片中驗證構建塊

　　Flex Logix構建驗證芯片以驗證硅片中的IP核。下圖是TSMC 40ULP的例子。

　　在這個過程中，客戶使用的VT(電壓閾值掩碼)組合有很大范圍，Flex Logix設計的EFLX陣列與所有可能的組合兼容。因此，驗證芯片具有5個陣列：在所請求的VT組合中的1個大陣列(4×4)和在其他4種規模中的4個2x2陣列。

　　由于40nm的EFLX陣列可以以高達300MHz的頻率工作，并且GPIO僅在150MHz以內才可靠，因此有一個片上PLL可以產生非常快速、精確的時鐘用于測試性能，并且有SRAM可以使用“測試向量”加載，然后全速運行。這提供了“芯片上的測試器”，使得我們可以在上述GPIO速度下驗證全速操作。還有溫度/電壓監視器，以確保在最壞的目標情況條件下進行測試。

　　所以說嵌入式FPGA將改變芯片和SoC未來的設計方式。 設計師無需再被困在項目中，并被迫花費數百萬美元來在需要的時候改變RTL。 當RTL需要更新時，公司也不再會有延誤計劃的風險。使用嵌入式FPGA，芯片設計過程變得簡單很多，價格也便宜很多。