組み込みFPGAテクノロジによる設計の簡素化

eFPGAテクノロジは非常に汎用的であり、既成のFPGAチップのように機能して、ASICおよびSoC設計にロジックの再構成可能性をもたらします。

エンベデッドFPGA（eFPGA）の時代がついに到来しました。これは、ワイヤレスインフラストラクチャ、人工知能（AI）、スマートストレージ、さらにはコストに敏感なマイクロコントローラーにサービスを提供するチップへの到達から明らかです。システムオンチップ（SoC）サブシステムとして、CPUやDSPと同様に、1,000〜500,000のルックアップテーブル（LUT）のサイズでハードウェアロジックを動的に再構成します。

この新しいプログラム可能なテクノロジーの見晴らしの良い点として、 EDN Flex Logix TechnologiesのIPセールス、マーケティング、ソリューションアーキテクチャ担当副社長であるAndyJarosに話を聞きました。 2014年にIP企業として設立されたFlexLogixは、設計エンジニアが手間のかかる作業を行うことなく、ロジックの再構成を容易にする高密度FPGAファブリックを提供すると主張しています。

私たちは、この技術の起源についてJarosに尋ねることから議論を始めました。 Jarosは、ArmとARCからMotorolaとSynopsysに及ぶキャリアパスを持つ半導体業界のベテランです。

履歴：それほど速くはありません

eFPGAの概念には、1990年代にさかのぼる市松模様の歴史があります。半導体の人々は長い間、ASICにLUTを組み込んで柔軟性を高めることについて話してきました。ただし、堅牢なツールチェーンを備えたFPGAとは異なり、ツールの不足は、チップに組み込みFPGAIPを実装する際の大きな障害でした。

Jarosは、eFPGAファブリックの作成について何十年にもわたって主張があったことを思い出します。 「古い半導体企業の何人かの人々は、20年から30年前にそれを行っていたと言いますが、組み込みFPGAを実装する方法は大きな領域を占めました。」

従来のFPGAはメッシュインターコネクトを使用しており、FPGAの面積の80％がインターコネクトによって占められています。 FlexLogicの共同創設者であるChengWangは、メッシュ相互接続と比較して半分の面積を占める階層型相互接続を開発しました。その結果、面積とコストに大きなメリットがあります。 eFPGA IPサプライヤは、相互接続から90％の使用率を達成するとも主張しています。一方、ディスクリートFPGAでメッシュインターコネクトが使用されている場合、使用率は70％近くになります。

図1：eFPGAは、さまざまなバスサイズに合わせて簡単に最適化できます。出典：Flex Logix

現在：ビジネスは良好です

eFPGAテクノロジーは、さまざまなアプリケーションの非常に小さなインスタンスから非常に大きなインスタンスまでサポートされるため、非常に一般的です。既製のFPGAチップのように機能するeFPGAは、数日であらゆるサイズのアレイを提供できます。

「私たちはASIC企業から多くの注目を集めています」とJaros氏は述べています。 「FPGA機能をASICに統合すると、パフォーマンスが向上し、システムレベルでの消費電力とコストが削減されます。」これにより、設計エンジニアは、アプリケーションの要件に応じて、FPGAを完全に廃止するか、より安価なFPGAを使用することができます。

Jarosはまた、従来FPGAを使用してきたシステム企業がASICパートナーとともにeFPGAIPの調査を開始していることにも言及しました。これにより、システムハウスはミドルスタックの下位レベルにとどまることができます。さらに、市場の要件は急速に変化していますが、自動車OEMやTier1などのシステムハウスは1年待って新しい機能を追加することはできません。 「したがって、一部のRTL構成可能性は、10年前よりも理にかなっています。」

次に、ニューラルネットワークAI処理用であれ、独自のコードアクセラレーション用であれ、ハードウェアアクセラレータを組み込み始めているハイエンドMCUがあります。これらのシナリオでは通常、16,000〜20,000のLUTを使用します。次に、Jarosはミックスドシグナル企業からの関心が高まっています。 「デジタル側で変わるのはステートマシンだけです」とJaros氏は述べています。 「したがって、ミックスドシグナル設計者は、MCUや完全なソフトウェアツールフローに投資することなく、ステートマシンの構成可能性のレベルを追加するためにeFPGAを検討しています。」

図2：Flex LogixのeFPGAは、EFLX 4Kに基づいています。これは、2つのバージョンで提供されるタイルです。すべてのロジック、またはほとんどの場合、いくつかの乗算アキュムレータ（MAC）を備えたロジックです。出典：Flex Logix

将来：ディスクリートFPGAとの競争

eFPGAビジネスに関する一般的な認識は、スタンドアロンFPGAセグメントに脅威をもたらすというものです。ただし、Intelとザイリンクスが行っているのは複雑な製品の開発です。 「インテルとザイリンクスは、ハイパースケールデータセンターをサポートするために、より大きなFPGAスペースに移行しています。そのために、FPGAの周囲にハードウェアCPUサブシステムを追加しています」とJaros氏は述べています。 「eFPGAがIntelとザイリンクスに影響を与えているとは思いません。彼らは多くの機能を備えた大型で高価なFPGAを販売しているからです。」

彼は、eFPGAビジネスは非常に補完的であると付け加えました。 「ザイリンクスとインテルの関係者と話をしましたが、競合はまったく見られません。」これは、再構成可能性の要件が幅広い業界セグメントにまたがっており、その結果、従来のFPGA企業との競合があまりない可能性があるためでもあります。

図3：eFPGA IPサプライヤは、従来のFPGA企業との競合をあまり見ていません。出典：Flex Logix

eFPGAビジネスを推進するもう1つの要因は、サプライチェーンを管理したい企業です。彼らは、ソフトウェアスタックを構築した独自のMCUまたはASSPを持っている場合があります。したがって、ある程度のeFPGA再構成可能性を追加することで、セキュリティアルゴリズムまたは独自のコードを交換できます。

eFPGA IPは複数のサプライヤから入手できます。これらのIPは比較的統合性が高いものの、FPGAの密度は特定のアプリケーションにとって意味をなし始めています。 eFPGAを優先して振り子をシフトしたもう1つの点は、より小さなプロセスノードへの移行です。 Flex Logixは、180nmから5nmまでのプロセスノードをサポートしながら、現在3nmまでのチップ設計に取り組んでいます。

「構成可能性のために少しの領域をトレードオフする意欲が高まっています」とJaros氏は結論付けました。 「したがって、今後5年から10年でテープアウトされるチップの大部分には、ある程度のeFPGAコンテンツが含まれます。」動きの速い標準と独自のAIアルゴリズムは、この物語とその後のeFPGAの近い将来の約束をサポートします。

>>この記事は、もともと姉妹サイトで公開されていました、EDN。

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