雖然 FPGA 芯片自 1980 年代以來就已經面市，但嵌入式 FPGA （eFPGA） 僅在大約五年前才面市。然而，由于其驚人的靈活性和功能集，它很快就在市場上占有一席之地。它現在可以從多個供應商處商業化，在廣泛的代工廠（臺積電、格羅方德、中芯國際和三星）上以及在 180、40、28、22、16、14、12 和 7nm 等工藝節點上。eFPGA 還被用于廣泛的應用，例如航空航天、通信、網絡以及最近的人工智能 （AI）。采用它的客戶（僅公布的客戶）包括桑迪亞國家實驗室、DARPA、波音、哈佛和晨芯（中國大唐電信的芯片子公司）。

　　在 eFPGA 面世的短短幾年內，業界已經出現了幾代產品。隨著每一代新產品的推出，eFPGA 變得更加靈活，更適用于新應用，所有這些都是由客戶需求驅動的。事實上，eFPGA 的應用似乎是無窮無盡的，在未來，這項技術應該會像今天的 Arm 處理器一樣普及。本文將回顧各代 eFPGA，最后以目前可用的特性結束。

　　第一代

　　第一代 eFPGA 相對簡單，通常使用 4 輸入 LUT。為了提供一系列陣列尺寸，一些供應商將他們的 eFPGA 設計為復制塊陣列，其中頂層互連自動連接陣列范圍網狀互連中的塊。編程是在 Verilog 中使用命令行界面完成的。

　　第二代

　　第二代 eFPGA 根據客戶評估第一代的反饋增加了一系列功能。這些新功能包括：

　　與當今最先進的 FPGA 一樣的 6 輸入 LUT。6 輸入 LUT 提高了 eFPGA 的密度和性能。

　　能夠在陣列的行之間集成任何類型/大小的 RAM。這為分布式計算提供了更多的本地化內存。這是一個非常重要的新增功能，因為 1/3 的評估 eFPGA 的客戶要求使用此功能。

　　GUI 界面，用于使用各種圖形工具進行編程，以加快評估和開發。

　　直接從 GDS 數據庫中提取的時序允許對任何 PVT 組合的性能進行評估。

　　回讀配置位（在高可靠性環境中需要）和在操作期間重寫配置位的能力。

　　DFT 覆蓋率 99% 以上。

　　一種新的配置加載模式，將測試時間減少了大約 100 倍。

　　為每個帶有 PC 接口的新工藝提供評估板。

　　如今，客戶正在使用第二代 eFPGA 進行設計，這些設計在每個芯片的多個陣列中使用 Flex Logix 的 EFLX eFPGA，陣列大小高達數十萬個 LUT。

　　第三代

　　從上面的描述可以看出，前幾代 eFPGA 執行的功能類似于 FPGA 芯片。但是，在第三代 eFPGA 中，它開始做 FPGA 芯片沒有做的事情。第三代 eFPGA 的一個例子是 Flex Logix 的 nnMAX，它是一種經過優化的推理 eFPGA，具有以下新特性：

　　它由高級神經網絡模型語言（如 Tensorflow Lite 和 ONNX）編程。nnMAX 編譯器自動執行較低級別的 Verilog 編程，從而釋放客戶并獲得更高的性能。

　　每層運行大約十億個 MAC（乘法累加操作）的神經網絡層。nnMAX 為下一層重新配置 eFPGA 互連和“軟邏輯”（控制狀態機），然后再次開始運行。在早期的 eFPGA 中，重新配置是串行完成的，類似于 FPGA 芯片。相反，nnMAX 以高度并行模式進行配置，以便在 1GHz 操作下大約 1，000 個周期重新配置整個陣列。

　　將 AI 優化的 MAC（8x8 整數、16x16 整數和/或 16x16 浮點）組織成每個 64 個的集群。在傳統的 eFPGA 中，每個 MAC 都單獨連接到互連網絡中。在 AI 工作負載中，矩陣乘法非常大，因此集群是一種獲得更高密度并更有效地使用稀缺互連網絡資源的邏輯方法。

　　可以在 Winograd 加速模式下運行以加速 3x3 卷積，步幅為 1 x 2.25x，用于整數 8 運算

　　能夠在層之間混合精度：硬件可以根據需要從整數 8/16 轉換為浮點數并返回。這允許模型設計者最大化吞吐量和最大化預測準確性。

　　Interconnect 現在具有流水線觸發器，可實現 1GHz 吞吐量，同時每層僅增加幾個延遲周期。

　　迄今為止，上述新功能僅適用于 nnMAX 推理 eFPGA。但是，根據客戶的興趣，其中一些功能也可能出現在未來的第三代通用 eFPGA 中。

　　特殊的醬汁在互連中

　　雖然 eFPGA 最初是為通信和網絡等應用而開發的，但隨著時間的推移，Flex Logix 等公司想出了如何利用 eFPGA 中使用的相同核心互連技術來解決爆炸性 AI 市場的神經推理部分。在神經推理中，計算主要是數萬億次運算（乘法和累加，通常使用 8 位整數輸入和權重，有時使用 16 位整數）。最初為 eFPGA 開發的技術非常適合推理，因為 eFPGA 允許對每個網絡階段進行可重新配置的快速控制邏輯。eFPGA 中的 SRAM 可根據需要在神經網絡中重新配置，其中每一層都可能需要不同的數據大小。例如，Flex Logix 互連允許 SRAM 輸入庫、MAC 集群、

　　未來

　　eFPGA 是一種非常強大和靈活的技術，適用于廣泛的市場和應用。隨著客戶了解如何使用 eFPGA 并不斷要求供應商支持新特性和功能以改進其價值主張，它將繼續發展。真正的客戶需求將成為 eFPGA 未來發展的驅動力，看到這項技術如何隨著時間的推移繼續發展將是令人興奮的。

　　審核編輯：郭婷