嵌入式FPGA技术：数据中心行业的新宠

现如今的数据中心管理人员们希望他们的设施具有更高的可重构性和可编程性，而不再如同旧PC时代必须更换硬件才能跟上不断变化的标准和协议。到目前为止，可重构性尚不存在，协议的改变则很容易要求数据中心运营商们必须更换设施中的每个芯片。而伴随着嵌入式FPGA(eFPGA)技术的出现，这些问题正在逐步消失。这种技术不仅可以在芯片安装到数据中心后，实现重新配置，还可以将处理器性能提高40-100倍。诸如美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA)、SiFive公司、哈佛大学、美国桑迪亚国家实验室和Hiper Consortium公司等相关业界领军都在设计eFPGAs。

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但令人惊讶的是，大多数业内人士把并不明白eFPGA是什么，也不清楚其与诸如Xilinx，Altera等独立模型的传统的FPGA有什么不同之处。事实上，这两种技术是不同的，甚至并不存在相互竞争的关系。

FPGA与eFPGAs

eFPGA是一种知识产权(IP)模块，可将完整的FPGA集成到SoC或任何类型的集成电路中。这是相对较新的，但将芯片转换为IP模块的想法早已存在。正如RAM、serdes、PLL和处理器从独立芯片转向常规IP模块一样，FPGA也是一个IP模块。

FPGA在可编程互连结构中结合了一系列可编程/可重新配置的逻辑块。FPGA芯片的外部边缘由GPIO、serdes和专用PHY(包括DDR3 / 4)组成。在高级FPGA中，I / O环大约是芯片的四分之一，“结构”大约是四分之三。这种结构主要是当今FPGA芯片中的互连;其面积的20-25%是可编程逻辑，75-80%是可编程互连。

eFPGA是一种没有GPIO、serdes和PHY的FPGA架构。相反，它使用标准的数字信号连接到芯片的其余部分，从而实现宽的快速芯片互连。

eFPGA如何扮演加速器的作用

每个芯片都有一个或多个Arm、ARC、Mips或其他处理器执行代码。对于占用大部分处理器带宽的任务而言，硬件中的加速器通常可以在更短的时间内处理任务。(当然，加速器不会取代处理器，它只是加速了大部分工作量密集型任务。)但是，如果使用硬连线加速器，则只能加速一项任务。

通过eFPGA对加速器进行重新配置，可以根据工作负载需求或不同的客户/应用程序的需求加速执行多项任务。这种将关键代码加速一个或两个数量级的能力是每个芯片设计人员都应该评估的。将处理器性能提高40-100倍便是其主要的竞争优势。

现在，eFPGAs可以以任何***的流程节点和任何规模尺寸，以及可选的MAC / RAM获得，以提供从MCU到数据中心的可重新配置加速。

有关使用eFPGA作为加速器的更多详细信息，请点击此应用笔记链接。其描述了将eFPGAs连接到通用总线的确切实现方式，并提供了多个详细的性能比较，以便您可以开始评估eFPGAs。

成本优势

设计ASSP、ASIC和SoC的成本和时间不断增加。这种情况是一个挑战，因为这意味着芯片市场必须更大，才能提供良好的投资回报——而且设计时间长，使得难以满足不断变化的客户规格和标准。

在数据中心中，客户多年来一直在寻求可重构性。当标准不断发展时，数据中心不再需要升级叉车，而需要的是可编程芯片，以便在不触及硬件的情况下升级其功能。它还使数据中心运营商可以选择定制化，以获得更大的竞争优势。正如微软的Doug Burger在2016年度现场可编程逻辑与应用国际会议(FPL)上所说的那样，可重新配置的云服务将改变世界，使其能够重新编程数据中心的硬件协议：网络、存储和安全。而将FPGA技术添加到混合中是实现这一目标的关键。

另一个可以节省大量成本的例子是微控制器。在较老的工艺节点(如90纳米)中，掩膜成本便宜，线卡可能有几十或几百个版本。例如，这种类型为每个客户提供了小的差异，例如，串行接口(SPI、I2C、UART等)的数量和类型。但是现在先进的微控制器正在向40纳米技术转移，其中每个掩膜的成本为100万美元，微控制器制造商需要一种可编程的方式来定制他们的芯片，并提供多个SKU。增加的这个功能也为他们的客户打开了自己定制MCU的途径，类似于他们现在如何为机上处理器编写C代码。当今的一些微控制器，例如赛普拉斯的PSoC，提供了一些有限的可定制性。但是，只有eFPGA才能提供更多可扩展的可定制性。

多个市场适合多款应用程序

eFPGA阵列可以为芯片设计人员在任何需要灵活性的地方提供服务，以解决不确定性或不断变化的标准，或以高性能满足一系列市场需求。从大型网络芯片到小型MCU /物联网芯片，广泛的应用非常适合eFPGAs。在40纳米以及MCU / IoT等应用中，重点在于功耗;因此，设计eFPGA的企业组织机构优化其产品以具有更多电源管理模式，低电压状态保持和其他功能。在28 / 16纳米应用程序中，重点在于性能，所以ePGAs可以针对该要求进行优化。当eFPGA在控制路径或数据路径中工作时，其性能***，并且必须遵循周围硬连线RTL ASIC的频率。在这种情况下，客户通常在1000个或更少的LUT中使用eFPGA，在触发器之间植入一个或两个LUT阶段的快速控制逻辑。 I / O需求往往很大，特别是在投入方面。性能要求相对较低的是I / O控制，例如MCU或IoT设备，其中eFPGA可以启用本地I / O处理，以根据I / O功能需要，通过不激活MPU或在其中实现额外的串行接口来降低整体系统功率。

以下只是eFPGAs在今天所服务的几个市场：

网络：可编程解析器、网络协议、安全协议和存储协议;

数据中心加速

无线基站DFE(数字化前端);

MCU：可重新配置的I / O、用于卸载MPU的I / O处理、可重新配置的加速器;

SoC：I/O mux、可重构I / O、可重构加速器;

固态硬盘：可编程时序和ECC;

航空航天/国防：集成整合的FPGA体积更小，重量更轻，功耗更低，并且可以在辐射强化工艺和/或可信晶圆厂

未来的数据中心

eFPGAs正在改变芯片的设计流程，从而改变数据中心的构建和维护方式。随着时间的推移，嵌入式FPGA技术预计会变得更加普遍，以至于它们将可以从180nm到7nm的每个主要晶圆厂获得，从而支持广泛的应用。

有了数据中心的可重构性，运营商将拥有比以往更大的灵活性。为了响应不断变化的协议或标准，芯片可以在系统中进行更新，运营商也将能够采用eFPGAs来加速某些任务或工作负载所需的处理器性能。其结果将有助于成本的节省，以及减少维护和开发的费用，这是每家数据中心经理都在追求的目标。

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