eFPGA是什么？几个关于eFPGA的常见迷思
efpga，全称为嵌入式fpga（embedded fpga），顾名思义是将类似于fpga的可编程逻辑阵列“嵌入”到asic或soc中。在老石之前的文章《xilinx到底有没有赢得微软的fpga订单》中，提到了facebook可能会采用类似efpga的方法，作为自家数据中心的计算加速芯片。
在本文中，老石收集整理了几个关于efpga的常见迷思，以及对应的解答和讨论，谨供各位读者参考。
壹
efpga性能指标相关的迷思
1. efpga的工作频率能否达到我的设计要求？
和asic相比，绝大多数的fpga设计都无法达到同样的运行频率。其实，fpga并非以高时钟频率取胜，fpga的高性能主要是通过极高的硬件并行处理能力、深度流水线、以及高位宽总线等方式取得。
嵌入式fpga，即efpga的本质也是可编程逻辑阵列，因此单就运行频率而言并不能和asic相比。
不过，业界和学术界也在不断研究如何突破fpga的频率限制，例如，英特尔在新一代的高端fpga产品stratix10中采用了hyperflex架构，如下图所示，在可编程逻辑单元之间引入了多个寄存器阵列，可以将fpga的运行速度增加1.5~2倍。
在老石的博士研究课题中，老石发现很多应用场景对误差的容忍度很高，因此对fpga进行简单的“超频”操作就可以极大提高fpga的性能，代价仅仅是出现概率极小的精度损耗。
关于老石博士期间的研究内容，有兴趣的读者可以在后台给我留言，老石会找机会在今后的文章中继续介绍。
2. efpga的功耗会不会太大？
这个问题的答案应该是否定的。不仅如此，efpga的功率密度通常远低于fpga，或者asic与soc上的其他ip。
对于传统的fpga而言，它主要的“功耗大户”之一是fpga的可编程i/o部分。而efpga直接通过芯片上总线与asic的其他ip相连，直接去掉了原fpga的i/o部分，从而将削减了大部分功耗。
另一方面，如上一个问题提到的，efpga的频率远低于asic或soc上的其他ip，使得efpga的动态功耗相对较低。
3. efpga能否为我的设计提供足够的带宽？
同样的，对于传统fpga设计而言，系统性能很多时候直接受到fpga芯片的i/o引脚数量的限制。特别是对于很多通信、网络、高性能运算的应用而言，需要fpga芯片提供大量高性能serdes收发器以及通用i/o引脚，以便于外部系统进行数据交换和传输，而这通常受到芯片封装技术的限制。
与此相比，efpga没有引脚数量限制，因为它本质上就是集成在asic里的ip核。因此与fpga相比，efpga与asic或soc的通信带宽可以提升10倍以上。事实上，这也是efpga产生和使用的主要推动因素之一。
efpga不需要芯片与芯片间的连接，而是直接通过芯片上不同ip的连接进行通信，极大提升了通信带宽，并减少了通信延时，见下图。
4. 使用efpga会导致芯片面积过大？
asic或soc工程师在第一次看到fpga时通常会被fpga芯片的大小吓到，因为通常fpga芯片实在是太大了。可以看下图，感受一下fpga与英特尔atom通用处理器芯片大小的对比。
通常来讲，fpga的主要芯片面积一半是可编程逻辑单元，另一半则是可编程的i/o及相关电路。可编程i/o是fpga安身立命的法宝之一，它使得fpga可以与包括微处理器、asic、存储器、以及其他fpga在内的几乎其他任何芯片或系统相互通信。这也是为什么可编程i/o部分的芯片面积为何如此之大的原因。
与fpga相比，efpga不需要实现可编程的i/o部分，因为与efpga相互通信的asic ip在设计时就已固定。当去掉了可编程i/o部分之后，对于同等逻辑密度的fpga而言，efpga的芯片面积会极大缩减。
5. 使用efpga的成本会很高？
老石对成本方面的问题并不了解，但是，efpga的主要提供商之一，achronix公司的市场部副总裁steve mensor称：使用efpga的成本“并不会比其他ip更贵”。
老石认为，使用成本应该从两个角度来看。第一是用户直接付出的金钱成本，即购买芯片或ip付出的金钱。另一个则是所购买的ip能提供的功能多样性，即实现某种功能所分摊的成本。对于fpga或efpga而言，它们最强大的功能是可以实现不同的用户逻辑，并且在芯片流片后还能进行功能逻辑的修改，因此能大幅降低soc和asic的开发风险，并提高设计的灵活性。
贰
efpga开发相关的迷思
1. efpga的开发流程与传统asic或soc的开发流程差别太大？
efpga的流程与传统fpga、asic或soc的开发流程并无二致，总结起来都是逻辑综合、布局布线、时序优化等。和fpga相同，efpga开发完成后也会生成一个二进制配置文件（bitstream），用来对可编程逻辑进行配置。包含efpga的soc开发流程如下图所示。
与其说与asic或soc的开发流程不同，不如说是开发工具有很大差别，这样就引出了下一个问题。
2. efpga的开发工具尚不成熟？
不管是对于fpga设计，还是asic或soc设计，开发工具一直是体现一个公司综合实力的精髓所在。
芯片开发工具可以大致分成两个层次，一个是用来设计芯片本身，主要是各大eda公司如cadence和synopsys的软件套件，涵盖了芯片设计的各个阶段。另一个则是用来开发芯片应用的软件，例如用于fpga开发的英特尔fpga的quartus prime和xilinx的vivado等，这些软件决定了fpga是否便于用户使用，因此是这些公司真正的“皇冠上的明珠”。
作为efpga厂商而言，提供便于使用且性能稳定的开发工具是必不可少的。这需要长期的技术积累，以及广泛的用户体验与反馈。老石相信，对efpga开发工具的研发，会是这些efpga厂商的重中之重。
3. efpga的开发难度太大？
在生产方面，efpga的开发和集成需要efpga厂商、asic或soc集成商、以及晶圆代工厂紧密配合，保证在不同工艺节点efpga都能有效整合。然而，对于单纯的逻辑开发难度与周期而言，efpga与其他数字电路ip并无本质区别。
在efpga的配置和调试方面，也与传统fpga没有太多区别。通过开发工具产生的efpga配置文件可以通过jtag或者flash等方式，对efpga进行功能配置。
叁
结语
efpga作为一种存在许久的设计理念，在近年逐渐重新获得人们的关注。这主要是由于efpga能够提供更优的系统性能与更低的芯片功耗，因此被逐渐用于5g、机器学习加速器等诸多新兴领域。
efpga与fpga二者同属可编程逻辑阵列，有着共同的架构和性能特点，但又有着不同的优势和缺点。老石认为，与其说efpga会替代fpga，不如说efpga是fpga的有力补充。相信在大数据和人工智能时代，这些可编程逻辑芯片一定会有着更加广阔的应用。
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在本文中，老石收集整理了几个关于efpga的常见迷思，以及对应的解答和讨论，谨供各位读者参考。
壹
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1. efpga的工作频率能否达到我的设计要求？
和asic相比，绝大多数的fpga设计都无法达到同样的运行频率。其实，fpga并非以高时钟频率取胜，fpga的高性能主要是通过极高的硬件并行处理能力、深度流水线、以及高位宽总线等方式取得。
嵌入式fpga，即efpga的本质也是可编程逻辑阵列，因此单就运行频率而言并不能和asic相比。
不过，业界和学术界也在不断研究如何突破fpga的频率限制，例如，英特尔在新一代的高端fpga产品stratix10中采用了hyperflex架构，如下图所示，在可编程逻辑单元之间引入了多个寄存器阵列，可以将fpga的运行速度增加1.5~2倍。
在老石的博士研究课题中，老石发现很多应用场景对误差的容忍度很高，因此对fpga进行简单的“超频”操作就可以极大提高fpga的性能，代价仅仅是出现概率极小的精度损耗。
关于老石博士期间的研究内容，有兴趣的读者可以在后台给我留言，老石会找机会在今后的文章中继续介绍。
2. efpga的功耗会不会太大？
这个问题的答案应该是否定的。不仅如此，efpga的功率密度通常远低于fpga，或者asic与soc上的其他ip。
对于传统的fpga而言，它主要的“功耗大户”之一是fpga的可编程i/o部分。而efpga直接通过芯片上总线与asic的其他ip相连，直接去掉了原fpga的i/o部分，从而将削减了大部分功耗。
另一方面，如上一个问题提到的，efpga的频率远低于asic或soc上的其他ip，使得efpga的动态功耗相对较低。
3. efpga能否为我的设计提供足够的带宽？
同样的，对于传统fpga设计而言，系统性能很多时候直接受到fpga芯片的i/o引脚数量的限制。特别是对于很多通信、网络、高性能运算的应用而言，需要fpga芯片提供大量高性能serdes收发器以及通用i/o引脚，以便于外部系统进行数据交换和传输，而这通常受到芯片封装技术的限制。
与此相比，efpga没有引脚数量限制，因为它本质上就是集成在asic里的ip核。因此与fpga相比，efpga与asic或soc的通信带宽可以提升10倍以上。事实上，这也是efpga产生和使用的主要推动因素之一。
efpga不需要芯片与芯片间的连接，而是直接通过芯片上不同ip的连接进行通信，极大提升了通信带宽，并减少了通信延时，见下图。
4. 使用efpga会导致芯片面积过大？
asic或soc工程师在第一次看到fpga时通常会被fpga芯片的大小吓到，因为通常fpga芯片实在是太大了。可以看下图，感受一下fpga与英特尔atom通用处理器芯片大小的对比。
通常来讲，fpga的主要芯片面积一半是可编程逻辑单元，另一半则是可编程的i/o及相关电路。可编程i/o是fpga安身立命的法宝之一，它使得fpga可以与包括微处理器、asic、存储器、以及其他fpga在内的几乎其他任何芯片或系统相互通信。这也是为什么可编程i/o部分的芯片面积为何如此之大的原因。
与fpga相比，efpga不需要实现可编程的i/o部分，因为与efpga相互通信的asic ip在设计时就已固定。当去掉了可编程i/o部分之后，对于同等逻辑密度的fpga而言，efpga的芯片面积会极大缩减。
5. 使用efpga的成本会很高？
老石对成本方面的问题并不了解，但是，efpga的主要提供商之一，achronix公司的市场部副总裁steve mensor称：使用efpga的成本“并不会比其他ip更贵”。
老石认为，使用成本应该从两个角度来看。第一是用户直接付出的金钱成本，即购买芯片或ip付出的金钱。另一个则是所购买的ip能提供的功能多样性，即实现某种功能所分摊的成本。对于fpga或efpga而言，它们最强大的功能是可以实现不同的用户逻辑，并且在芯片流片后还能进行功能逻辑的修改，因此能大幅降低soc和asic的开发风险，并提高设计的灵活性。
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