eFPGA ersetzt die Kristallkugel

von: Timothy Saxe

Die meisten Elektroingenieure sind mit FPGAs vertraut, und viele haben bereits Erfahrungen mit eigenständigen FPGAs gesammelt. Die eFPGA-Technologie (embedded FPGA) ermöglicht es einem Halbleiterunternehmen, ein FPGA in einen SoC oder ASIC einzubetten. Die Industrie weiß aus bitterer Erfahrung (40 gescheiterte FPGA-Startups, Tendenz steigend), dass programmierbare Logik nicht einfach ist. Der größte Stolperstein für FPGA-Startups war die Designumgebung, nicht das Silizium. Die einfache Tatsache ist, dass das Silizium nur so gut ist wie die Tools, die es unterstützen - sie müssen einfach, robust und benutzerfreundlich sein und eine hervorragende Qualität der Ergebnisse liefern. Als wäre das nicht schon Herausforderung genug, gibt es eFPGA-Produkte auch in der ASIC-Designumgebung, die einen anderen Toolflow verwendet. Ein erfolgreiches eFPGA muss also über eine hervorragende Silizium-Implementierung, eine hervorragende ASIC-Tool-Unterstützung und einen hervorragenden FPGA-Tool-Flow verfügen. Glücklicherweise bietet die Einbettung von FPGAs große Vorteile: geringerer Stromverbrauch, höhere Leistung, niedrigere Kosten, verbesserte Zukunftssicherheit und Designflexibilität.

QuickLogic begann vor 29 Jahren mit der Herstellung von Standalone-FPGAs. Vor 15 Jahren erkannten wir, dass sich die Wirtschaftlichkeit zugunsten einer Kombination von ASIC-Kernen mit programmierbarer Logik verändert hatte, und wir begannen mit der Entwicklung von Embedded-FPGA-Lösungen. Damals versuchten verschiedene FPGA-Startups, die eFPGA-Technologie zu verkaufen, aber es gab keine Resonanz. Der Grund dafür war wirtschaftlicher Natur: Masken waren billig, ASIC-Gates waren billig und FPGA-Logik war teuer. Wenn man die Uhr 15 Jahre zurückdreht, haben sich die Dinge geändert: Masken sind teuer, ASIC-Gates sind billiger und FPGA-Logik ist ebenfalls billiger. Unser neuestes Gerät, der EOS™ S3 System-on-Chip (SoC), zielt auf den Smartphone-, Wearable- und Hearable-Markt ab. Diese Produkte sind sehr preis- und stromsensibel. Glücklicherweise ermöglicht es uns die 40nm-Kostenstruktur von GLOBALFOUNDRIES, die Preisanforderungen mit einem Produkt zu erfüllen, das über genügend eFPGA verfügt, um wirklich nützlich zu sein. So konnten wir ein kosteneffizientes Produkt entwickeln, bei dem die Hardware für verschiedene Märkte angepasst werden kann, ohne dass Maskenkosten anfallen. Darüber hinaus können wir mit eFPGA kritische Aufgaben von der Software in die Hardware verlagern, um Strom zu sparen, was für stromsparende Anwendungen entscheidend ist.

Eine kleine Abschweifung zur Bedeutung des Begriffs "stromsparend": Jeder behauptet, stromsparend zu sein. Für Serverentwickler ist die Verwendung eines 25-Watt-FPGA zur Entlastung einer 90-Watt-CPU stromsparend. Auf dem Markt für Wearables, wo eine CR2450-Batterie sechs Monate halten soll, muss die durchschnittliche Systemleistung 410uW betragen, und auf dem IoT-Markt, wo zwei AA-Batterien drei Jahre halten sollen, muss die durchschnittliche Systemleistung 318uW betragen. Wir konzentrieren uns auf die Märkte für Wearables und IoT, wo die Entwickler erwarten, dass die Recheneinheit nur 25 % der Systemleistung verbraucht: 100uW für Wearables und 80uW für IoT.

Da wir in Märkten tätig sind, die einen geringen Stromverbrauch erfordern, sehen wir den 22FDX®-Prozess von GLOBAFOUNDRIES als das Arbeitspferd der Zukunft für stromsparende Märkte. Die Wirtschaftlichkeit ist besser, und die dynamische Vorspannung sollte es den Entwicklern ermöglichen, die durchschnittliche Systemleistung im Vergleich zu 40 nm um 25 % bis 50 % zu senken. Besonders wichtig für das Internet der Dinge ist das eMRAM, das demnächst auf 22FDX verfügbar sein wird und sowohl Single-Chip-Geräte als auch extrem stromsparende Ruhezustände kostengünstiger als Flash-Speicher ermöglicht.

Warum jetzt? Was hat sich in den letzten 15 Jahren geändert?

Erstens werden die Einsätze größer: Die Kombination aus Masken- und Softwarekosten ist stark gestiegen. Zweitens sind die Märkte stärker fragmentiert, was zu geringeren Stückzahlen pro Entwurf führt. Und schließlich liegt das künftige Wachstum im Bereich des Internet der Dinge (IoT), was viele verschiedene Dinge zu bedeuten scheint.

Wenn Sie eine Kristallkugel haben, die die Zukunft genau vorhersagt, können Sie einfach einen ASIC entwickeln, der diese Anforderungen erfüllt. Wenn nicht, können Sie einen QuickLogic ArcticPro™ eFPGA-Block in Ihr Design integrieren:

• Aktualisieren Sie Ihre Hardware, wenn Standards aktualisiert oder weiterentwickelt werden
• Aktualisieren Sie Ihre Funktionen, wenn Sie neue Marktbedürfnisse entdecken
• Erstellen mehrerer Produktvarianten aus einem einzigen Maskensatz
• Schnellere Markteinführung und längere Verweildauer auf dem Markt durch Weiterentwicklung der Produktmerkmale

Im Laufe der Jahre haben wir festgestellt, dass dies der am schwersten zu fassende Punkt ist. Sprechen Sie mit dem ASIC-Team, und man wird Ihnen zu Recht sagen, dass Sie ihnen einfach sagen sollen, was Sie brauchen, damit sie es besser umsetzen können. Das Problem ist, dass sie nicht für die Definition der Anforderungen zuständig sind. Jetzt haben Sie eine weitere Möglichkeit. Bauen Sie einen kleinen eFPGA-Block ein - Sie werden feststellen, dass dies in 22FDX erstaunlich wirtschaftlich ist. QuickLogic ist seit 15 Jahren in diesem Bereich tätig und weiß daher, was für eine erfolgreiche Integration erforderlich ist - unsere Methodik macht es nicht schwieriger als das Hinzufügen eines anderen Hardmakros. Wir wissen auch, wie ein FPGA-Designflow in Produktionsqualität aussieht - wir beliefern seit 30 Jahren die qualitäts- und zuverlässigkeitsbewusstesten Märkte der Welt - Luft- und Raumfahrt, Verteidigung sowie Mess- und Testmärkte. Wir kennen uns mit wirklich niedrigem Stromverbrauch aus - das tun wir seit fünf Jahren, und FD-SOI ist die perfekte Ergänzung zur ArcticPro-Architektur. Schließlich ist das Ökosystem für die vielfältigen Anforderungen des IoT von entscheidender Bedeutung, und der GLOBAFOUNDRIES FDXcelerator™ bringt eine vielfältige Sammlung bewährter IP zusammen, wie z. B. unser ArcticPro eFPGA, die es den Siliziumarchitekten ermöglicht, schnell hochwertige Systeme auf einem Chip mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln.