Efinix給FPGA設計打開的腦洞

最近，FPGA初創公司Efinix宣布獲得了一筆 950 萬美元的新一輪融資，領投方是Xilinx。這也讓這家公司的「 Quantum? programmable architecture 」進入我們的視野。

目前Efinix提供的技術細節不多，它的主要賣點包括下面兩個：

1. eXchangeable Logic and Routing (XLR) cell

The basic building block of the Quantum technology is the eXchangeable Logic and Routing (XLR) cell. An XLR cell can function as either a LUT-based logic cell or a routing switch encoded with a scalable, flexible routing structure. This innovation improves the active area utilization by 4X compared to traditional FPGAs, resulting in up to 4X area efficiency and a 2X power advantage. The EFabric power, performance and area advantage is scalable by logic density.

對於比較熟悉FPGA架構的同學，應該很容易理解這個想法。傳統的FPGA中的運算單元LE（Logic Element）和互連資源Routing Switch在功能上各司其職，而數量和位置都是固定的。因此，如果你的設計中有很多Logic，那麼很可能片上的LE不夠用，而互連資源會有很多富裕；而如果你的設計中需要很多的連線，比如複雜的匯流排，大量的Mux，那麼很可能互連資源成為瓶頸。

Efinix的想法就是設計一種新的Cell，XLR，它既可以作為運算資源，又可以作為互連資源。顯然，這種架構可以提供更搞的靈活性和資源使用的彈性。從上圖來說，一個直觀的感受就是LE和Routing Matrix的數量（比例）和位置是靈活的。

這個想法雖然簡單，但可以說打開了很大的腦洞。之前FPGA的re-Configurable特性主要反映在LE功能可配置和互連資源可配置這兩個方面。而我們在把一個設計mapping到FPGA上的時候，其架構設計必須滿足FPGA的架構上的約束，否則就會效率很低。而這個新的架構一下子給FPGA的可重構特性增加了一個新的維度，LE or Routing。我們在設計上可以可以玩的花樣更多了。我還看到另一種可能性，就是把XLR和傳統的FPGA架構結合起來，找到一個更好的平衡點。

當然，我們不能期待免費的午餐。首先，這個「LE or Routing」意味著每個基本單元的功能都比傳統FPGA的基本單元要複雜，這個Cost是多少？我們現在還不知道細節。從Efinix的宣傳來看，似乎在總的面積和功耗上都有提升。我認為最終還是看設計能不能充分利用這種新的架構帶來的優勢。這就提出另外一個問題，Mapping工具是否好用？現在我們有了一個新的可配置的維度，能不能利用好這個維度很大程度上依賴於開發工具（這也是FPGA和CGRA架構普遍面臨的挑戰）。這個我們只能等看到真正的產品才能評判了。

2. 7 metal layers

The competitive Quantum technology only requires 7 metal layers, a significant reduction compared to traditional FPGAs that have 10 to 14 layers. Fewer metal layers translate to a better cost structure and ease of ASIC/ASSP/FPGA integration. By integrating the Quantum technology into an ASIC or ASSP, you can create more innovative solutions and markets beyond the timeline of silicon tapeout, thereby enhancing the ROI and TTM of your system products.

這個feature雖然沒有第一點那麼引人注目，但我覺得也是相當重要的。如果能夠實現的話，這意味著這種FPGA設計有可能以很低的成本嵌入到ASIC或者ASSP設計當中。這又會給SoC晶元設計帶來一種新的選擇。這方面能開的腦洞也很多。

總的來說，Efinix的技術瞄準了傳統FPGA的兩個比較大的問題（缺點），如果能夠成功將對FPGA設計會產生重要的影響。不過，想法簡單直接往往意味著實現起來很有挑戰，否則早就有人這麼做了。也許Xilinx的支持和現在FPGA應用的驅動，可以讓他們有足夠的資源把這個想法變成現實，非常值得期待。

T.S.

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