Перспективы развития встраиваемых FPGA

Перспективы развития встраиваемых FPGA

Выпуск 11(6685) от 06 июня 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Вентильные матрицы, программируемые пользователем (FPGA), обладают многими достоинствами, но их применение существенно ограничено уровнем цен. Встраиваемые FPGA – ​СФ-ядра, интегрированные в специализированные ИС (ASIC) или «системы-на-кристалле» (SoC), позволяют обойти это препятствие и дают существенные шансы на успех тем, кто обращается к подобному подходу. Архитекторы систем начинают замечать преимущества встраиваемых FPGA: совмещение гибкости FPGA с производительностью и приемлемыми ценами SoC дает хорошие шансы на превращение данной технологии в одну из массово применяемых.

Встраиваемые вентильные матрицы, программируемые пользователем (FPGA), по сути представляют собой сложные функциональные блоки, интегрированные в специализированные ИС (ASIC) и «системы-на-кристалле» (SoC). Архитекторы электронных систем начинают оценивать преимущества встраиваемых FPGA, которые обеспечивают гибкость программируемой логики по цене меньшей, чем у стандартной FPGA. Действительно, традиционные FPGA всегда рассматривались как дорогостоящий вариант при создании новых прототипов «систем-на-кристалле» – ​с точки зрения сокращения сроков вывода на рынок. Однако по мере реализации новых подходов ситуация меняется. Появление перепрограммируемых элементов в SoC обеспечивает все большую гибкость конструкций. При этом отраслевые специалисты отмечают новые тенденции развития полупроводниковой техники. В частности, интеграция перепрограммируемой памяти в SoC все чаще рассматривается как жизнеспособный и ценный вариант.

С помощью встраиваемых FPGA можно определить число таблиц поиска, регистров, емкости встраиваемой памяти, блоков цифровой обработки сигнала (DSP). Также можно контролировать аспектное отношение, число устройств ввода–вывода, проблемы между потреб-ляемой мощностью и производительностью. Кроме того, развитие микроэлектроники требует наличия все большего числа разнородных блоков, исполняющих различные функции. В этом плане FPGA становятся хорошим выбором для проектировщиков, которым требуется обеспечить широкий спектр функциональности. Следует отметить и появление нового класса приборов – ​SoC с программируемым ускорением (см. рисунок).



Источник: Achronix

SoC с программируемым ускорением


Долгое время программируемая логика стоила довольно дорого. Однако в последнее время удельная стоимость микросхем этого типа сократилась – ​точкой перелома стал технологический уровень в 40 нм, на котором удельную стоимость SoC и ASIC удалось существенно снизить. Помимо прочего, на технологическом уровне порядка 40 нм появились новые инструментальные средства, позволившие обеспечить бЧльшую гибкость проектирования.

Программируемость встраиваемых FPGA обеспечивает функциональность ИС по принципу «на лету». Это позволяет в рамках одной базовой конструкции ИС реализовывать различные варианты, адаптируемые к меняющимся требованиям – ​вместо того чтобы форсированно разрабатывать новую конструкцию ASIC. Встраивание программируемой логики в конструкции ASIC позволяет снижать потребляемую мощность и издержки производства – ​по сравнению с традиционной логикой, применяемой при стандартном проектировании затворов. Это, в свою очередь, позволяет достичь компромисса между стоимостью конечной конструкции и гибкостью ее реализации.

Тем не менее традиционные затворы иногда теряют смысл – ​если имеется традиционный последовательный ввод–вывод, ему соответствует необходимая гибкость реализации. При этом не обязательно использовать все последовательные устройства ввода–вывода FPGA – ​бЧльшая их часть остается неизменной при использовании различных стандартов связи.


ЧТО ОТМЕТИЛИ ЭКОНОМИСТЫ

Рынок программируемой логики значительно фрагментирован. Приборы типа SoC, как правило, имеют относительно небольшие объемы продаж. Но с течением времени ситуация может измениться. Встраиваемые FPGA обладают большим потенциалом в сфере реализации Интернета вещей – ​от носимых датчиков до широкого диапазона иных подключаемых приборов.

Важным фактором может стать машинное обучение, позволяющее расширить специфические наборы команд. В некоторых случаях алгоритмы машинного обучения могут дополнить имеющиеся средства аппаратного обеспечения, способствовать усовершенствованию имеющихся конструкций.

Разработчики SoC постоянно оценивают возможности создаваемых конструкций. Их главная цель в этом плане – ​добиться гибкости предлагаемого решения. С одной стороны, программируемые процессоры обеспечивают наибольшую гибкость с помощью программного обеспечения, с другой – ​заказные блоки, разработанные на уровне регистровых передач (RTL), предлагают лучшие соотношения потребляемой мощности и производительности (по сравнению с центральными процессорами общего назначения). В результате встраиваемые FPGA наилучшим образом подходят для задач проектирования «пост-кремниевых» SoC, ориентированных на программируемость, производительность и мощность.


СНИЖЕНИЕ ИЗДЕРЖЕК НА ИНТЕГРАЦИЮ

Основные поставщики FPGA уже давно интегрируют в выпускаемые приборы все больше функций, что повышает возможности перепрограммирования. Предлагаемые в настоящее время высокопроизводительные приборы можно в полной мере аттестовать как SoC. С другой стороны, разработчики SoC получили возможность встраивать в свои проекты структуры FPGA, что существенно увеличивает гибкость их конструкций. Теперь подобные приборы с полным основанием можно называть гетерогенными (разнородными) платформами с широким набором возможностей программируемой логики и памяти.

Однако существует одно важное отличие. В традиционных FPGA предусматривалось наличие нескольких высокоуровневых блоков, которые клиенты могли использовать по своему усмотрению. Основное различие между FPGA и встраиваемыми FPGA заключается в наличии предварительно сформированных структур, позволяющих улучшить отношение потребляемой мощности, производительности и занимаемой площади (power/performance/area, PPA). С одной стороны, это ограничивает число возможных к использованию архитектур, но с другой – ​позволяет углубить степень отработки имеющихся вариантов.


БЕЗОПАСНОСТЬ

Для подключаемых к сетям изделий все большей проблемой становится обес-печение безопасности данных. Встраиваемые FPGA предоставляют разработчикам достаточную гибкость, позволяя менять протоколы безопасности и адаптировать разрабатываемые ИС к меняющимся рыночным потребностям и требованиям конечных потребителей. С учетом возрастающей стоимости разработки схем следующих поколений важным вопросом становится увеличение срока службы ИС, повышающее рентабельность их использования. Этот фактор особенно важен в таких областях, как автомобильная промышленность и промышленная электроника – ​здесь сроки службы измеряются десятилетиями.


ПРОДЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛОВ И ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОНОМИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ИС

Гибкость встраиваемых FPGA помогает продлить сроки службы как перспективных SoC, так и уже использующихся на рынке, поскольку новые варианты их применения становятся понятными после поступления на рынок базовых моделей. Встраиваемые FPGA обеспечивают преимущества с точки зрения занимаемой площади, потребляемой мощности и издержек производства по сравнению с двукристальными решениями. Появляется возможность разработать новые бизнес-модели для уже реализуемых на рынке приборов – ​за счет перехода от модели «чистых» продаж на модель обслуживания. Кроме того, модель разработки встраиваемых FPGA может оказать существенное влияние на весь процесс проектирования новых ИС. Вместо разработки нового кристалла ИС с новыми СФ-блоками можно будет обновлять уже имеющуюся конструкцию, расширяя ее применение на новые рынки. Повторно используемые конструкции более выгодны с точки зрения затрат, чем разработка новых схем. Таким образом можно распределять неповторяющиеся расходы на проектирование и внедрение в производство специализированных ИС (разовые затраты на разработку шаблона, тестирование и различные инструментальные средства, требующиеся на разработку нового типа СБИС) по различным функциям и рынкам конечного использования, т. е. после разработки новой ИС появляется возможность использовать ее в различных применениях. Подобный подход позволяет охватить широкий диапазон применений – ​от собственно SoC до микроконтроллеров, уже давно используемых для изделий, требующих гибкости программного обеспечения. В настоящее время многие потребители FPGA сами осуществляют их программирование, что открывает новые возможности в самых неожиданных применениях.


АРХИТЕКТУРНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ

Интеграция FPGA в конечные применения может осуществляться несколькими способами, при этом определяющим становится конечное планируемое применение. Специалисты корпорации Synopsys выделяют два основных типа интеграции. Один – ​использование в качестве ускорителя, способного выполнять сложные задачи обработки данных, другой – ​потенциальное исправление ошибок в плане конфигурации разрабатываемых кристаллов, подробности которых останутся фирменным секретом. Идея встраиваемых FPGA, используемых для ускорения функциональности, близка к идее автономных кристаллов со встроенным процессором, располагаемых на меньшем пространстве.

Вопросы должной интеграции затрагивают различные компромиссные аспекты, относящиеся к производительности и потребляемой мощности. Перед проектировщиками встает задача использовать преимущества встраиваемых FPGA, что позволит обеспечить производительность больших блоков с возможностью осуществления вычислений в рамках малых размеров. При этом некоторые варианты реализации могут оказаться слишком крупными и дорогостоящими.


ИЗМЕНЕНИЕ КОНЪЮНКТУРЫ

Встраиваемые FPGA могут оказать фундаментальное воздействие на весь процесс проектирования. Вместо разработки нового кристалла ИС с новыми СФ-блоками появляется возможность обновления уже существующего кристалла и расширения его применения за счет новых рынков. Сокращение издержек за счет модернизации имеющихся конструкций становится все более важным экономическим фактором по мере роста затрат на проектирование новых поколений ИС. Модернизационный подход позволяет распределить неповторяющиеся расходы на проектирование и внедрение в производство (NRE) специализированных ИС по различным функциям и рынкам. Подобный подход обеспечивает широкий диапазон – ​от SoC до микроконтроллеров, которые уже довольно давно используются для создания изделий, требующих гибкости ПО.

В настоящее время многие потребители FPGA самостоятельно осуществляют их программирование, что позволяет им решить многие проблемы и обеспечить дальнейшую поддержку пользователей.


УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Вопрос сокращения энергопотребления очень важен. В случае же необходимости обеспечить гибкость встраиваемых FPGA проблемы разработчиков резко возрастают. Практически все транзисторы демонстрируют тот или иной уровень тока утечки. Для большинства изделий микроэлектроники с топологиями 40 нм и менее потребляемая мощность – ​критический фактор, при этом разработчики традиционно большее внимание уделяют быстродействию, оставляя потребляемую мощность «на потом». Регулирование потребляемой мощности требует внимания к RTL и архитектуре – ​в целях минимизации занимаемой площади.

Во многих случаях проектировщики SoC используют встраиваемые FPGA, так как они не уверены в том, какое аппаратное обеспечение потребуется в течение всего срока службы ИС. Помимо этого, существует потребность амортизации высокой стоимости проектирования SoC за счет их использования в различных конечных системах. В подобных ситуациях предпочтительным представляется использование как можно более крупных FPGA, которые, тем не менее, будут соответствовать ограничениям размеров кристалла SoC.

Специалисты отмечают, что размер встраиваемых FPGA во многом зависит от того, какие функции будут реализовываться с их помощью. Во многом это зависит от рынка конечного применения. Здесь определяющими будут такие параметры, как пропускная способность устройств ввода–вывода, производительность системы и конкретные применения. Данная проблема сходна с проблемой обеспечения необходимой памяти для программного обеспечения. Как только клиент разрабатывает свои репрезентативные приложения, определяется размер необходимых ресурсов – ​но это во многом зависит от разработчика.

 

Bailey Brian. The Case for Embedded FPGAs Strengthens and Widens. Semiconductor Engineering, April 25, 2019: https://semiengineering.com/embedded-fpga-becomes-a-viable-option/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.