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    嵌入式FPGA技術即將在數據中心業界普及推廣

    • 發布:嵌入式培訓
    • 來源:嵌入式資訊
    • 時間:2018-02-26 13:47

    現如今的數據中心管理人員們希望他們的設施具有更高的可重構性和可編程性,而不再如同舊PC時代必須更換硬件才能跟上不斷變化的標準和協議。到目前為止,可重構性尚不存在,協議的改變則很容易要求數據中心運營商們必須更換設施中的每個芯片。而伴隨著嵌入式FPGA(eFPGA)技術的出現,這些問題正在逐步消失。這種技術不僅可以在芯片安裝到數據中心后,實現重新配置,還可以將處理器性能提高40-100倍。諸如美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,簡稱DARPA)、SiFive公司、哈佛大學、美國桑迪亞國家實驗室和Hiper Consortium公司等相關業界領軍都在設計eFPGAs。

    但令人驚訝的是,大多數業內人士把并不明白eFPGA是什么,也不清楚其與諸如Xilinx,Altera等獨立模型的傳統的FPGA有什么不同之處。事實上,這兩種技術是不同的,甚至并不存在相互競爭的關系。

    FPGA與eFPGAs

    eFPGA是一種知識產權(IP)模塊,可將完整的FPGA集成到SoC或任何類型的集成電路中。這是相對較新的,但將芯片轉換為IP模塊的想法早已存在。正如RAM、serdes、PLL和處理器從獨立芯片轉向常規IP模塊一樣,FPGA也是一個IP模塊。

    FPGA在可編程互連結構中結合了一系列可編程/可重新配置的邏輯塊。FPGA芯片的外部邊緣由GPIO、serdes和專用PHY(包括DDR3 / 4)組成。在高級FPGA中,I / O環大約是芯片的四分之一,“結構”大約是四分之三。這種結構主要是當今FPGA芯片中的互連;其面積的20-25%是可編程邏輯,75-80%是可編程互連。


    eFPGA是一種沒有GPIO、serdes和PHY的FPGA架構。相反,它使用標準的數字信號連接到芯片的其余部分,從而實現寬的快速芯片互連。

    eFPGA如何扮演加速器的作用

    每個芯片都有一個或多個Arm、ARC、Mips或其他處理器執行代碼。對于占用大部分處理器帶寬的任務而言,硬件中的加速器通常可以在更短的時間內處理任務。(當然,加速器不會取代處理器,它只是加速了大部分工作量密集型任務。)但是,如果使用硬連線加速器,則只能加速一項任務。

    通過eFPGA對加速器進行重新配置,可以根據工作負載需求或不同的客戶/應用程序的需求加速執行多項任務。這種將關鍵代碼加速一個或兩個數量級的能力是每個芯片設計人員都應該評估的。將處理器性能提高40-100倍便是其主要的競爭優勢。


    現在,eFPGAs可以以任何最流行的流程節點和任何規模尺寸,以及可選的MAC / RAM獲得,以提供從MCU到數據中心的可重新配置加速。

    有關使用eFPGA作為加速器的更多詳細信息,請點擊此應用筆記鏈接。其描述了將eFPGAs連接到通用總線的確切實現方式,并提供了多個詳細的性能比較,以便您可以開始評估eFPGAs。

    成本優勢

    設計ASSP、ASIC和SoC的成本和時間不斷增加。這種情況是一個挑戰,因為這意味著芯片市場必須更大,才能提供良好的投資回報——而且設計時間長,使得難以滿足不斷變化的客戶規格和標準。

    在數據中心中,客戶多年來一直在尋求可重構性。當標準不斷發展時,數據中心不再需要升級叉車,而需要的是可編程芯片,以便在不觸及硬件的情況下升級其功能。它還使數據中心運營商可以選擇定制化,以獲得更大的競爭優勢。正如微軟的Doug Burger在2016年度現場可編程邏輯與應用國際會議(FPL)上所說的那樣,可重新配置的云服務將改變世界,使其能夠重新編程數據中心的硬件協議:網絡、存儲和安全。而將FPGA技術添加到混合中是實現這一目標的關鍵。

    另一個可以節省大量成本的例子是微控制器。在較老的工藝節點(如90納米)中,掩膜成本便宜,線卡可能有幾十或幾百個版本。例如,這種類型為每個客戶提供了小的差異,例如,串行接口(SPI、I2C、UART等)的數量和類型。但是現在先進的微控制器正在向40納米技術轉移,其中每個掩膜的成本為100萬美元,微控制器制造商需要一種可編程的方式來定制他們的芯片,并提供多個SKU。增加的這個功能也為他們的客戶打開了自己定制MCU的途徑,類似于他們現在如何為機上處理器編寫C代碼。當今的一些微控制器,例如賽普拉斯的PSoC,提供了一些有限的可定制性。但是,只有eFPGA才能提供更多可擴展的可定制性。

    多個市場適合多款應用程序

    eFPGA陣列可以為芯片設計人員在任何需要靈活性的地方提供服務,以解決不確定性或不斷變化的標準,或以高性能滿足一系列市場需求。從大型網絡芯片到小型MCU /物聯網芯片,廣泛的應用非常適合eFPGAs。在40納米以及MCU / IoT等應用中,重點在于功耗;因此,設計eFPGA的企業組織機構優化其產品以具有更多電源管理模式,低電壓狀態保持和其他功能。在28 / 16納米應用程序中,重點在于性能,所以ePGAs可以針對該要求進行優化。當eFPGA在控制路徑或數據路徑中工作時,其性能最高,并且必須遵循周圍硬連線RTL ASIC的頻率。在這種情況下,客戶通常在1000個或更少的LUT中使用eFPGA,在觸發器之間植入一個或兩個LUT階段的快速控制邏輯。 I / O需求往往很大,特別是在投入方面。性能要求相對較低的是I / O控制,例如MCU或IoT設備,其中eFPGA可以啟用本地I / O處理,以根據I / O功能需要,通過不激活MPU或在其中實現額外的串行接口來降低整體系統功率。

    以下只是eFPGAs在今天所服務的幾個市場:

    網絡:可編程解析器、網絡協議、安全協議和存儲協議;

    數據中心加速

    無線基站DFE(數字化前端);

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

    SoC:I/O mux、可重構I / O、可重構加速器;

    固態硬盤:可編程時序和ECC;

    航空航天/國防:集成整合的FPGA體積更小,重量更輕,功耗更低,并且可以在輻射強化工藝和/或可信晶圓廠

    未來的數據中心

    eFPGAs正在改變芯片的設計流程,從而改變數據中心的構建和維護方式。隨著時間的推移,嵌入式FPGA技術預計會變得更加普遍,以至于它們將可以從180nm到7nm的每個主要晶圓廠獲得,從而支持廣泛的應用。

    有了數據中心的可重構性,運營商將擁有比以往更大的靈活性。為了響應不斷變化的協議或標準,芯片可以在系統中進行更新,運營商也將能夠采用eFPGAs來加速某些任務或工作負載所需的處理器性能。其結果將有助于成本的節省,以及減少維護和開發的費用,這是每家數據中心經理都在追求的目標。

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