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Die Funktionalität eines FPGA zu rekonfigurieren ist demgegenüber ein relativ langsamer und ressourcenintensiver Vorgang. Es erfordert das Übertragen neuer Konfigurationen in das Konfigurations-RAM und lässt sich deshalb in der Praxis nicht allzu oft durchführen. Einmal konfiguriert, kann ein FPGA aber digitale Logik mit einer fast an fest verdrahtete Schaltungen heranreichenden Geschwindigkeit emulieren.

Während die CPU also bei der Verarbeitung variierender Aufgaben ihre Stärken hat, glänzt das FPGA bei der Ausführung sich immer wiederholender (und insbesondere auch weitreichend paralleler) Aufgaben, die sich über Tausende Zyklen hinweg wiederholen und nur gelegentlich neu definiert werden.

CPUs mit FPGA-Strukturen sind im Kommen

Die Industrie hat erhebliches Vertrauen darin gezeigt, dass die engere Integration beider Bausteintypen einen Mehrwert ergeben kann. Die Übernahme von Altera durch Intel für 16,7 Mrd. US-Dollar ist ein Beleg hierfür. Intel hofft Module zu entwickeln, die Altera-FPGAs und Intel-CPUs zur Beschleunigung von Rechenzentren nutzen. Angesichts des Strebens nach mehr Performance, niedrigeren Kosten und effizienterer Energienutzung ist es geradezu unausweichlich, dass beide Strukturen jetzt Einzug in ein und denselben Baustein halten. Dabei werden die FPGA-Strukturen in Form von IP-Blöcken in die CPUs integriert.

Achronix hofft darauf, in diesem Gebiet als ein wichtiger Katalysator fungieren zu können, nachdem das Unternehmen embedded-FPGA-IP (eFPGA) aus den eigenständigen FPGAs seiner früheren Speedster-Familie vorgestellt hat. Die Speedster-Familie war in der Industrie für ihre Leistungsfähigkeit und ausgefeilte Routing-Architektur bekannt. Das daraus hervorgegangene eFPGA-IP namens Speedcore ist eine eindrucksvolle Demonstration der potentiellen Vorteile, die das Integrieren von FPGA-Strukturen in CPU- und SoC-Bausteine bietet.

Erstens bringen es SoCs mit eFPGA-Struktur auf eine höhere Performance, als es mit einem separaten FPGA-Chip möglich wäre, was zum Teil an der höheren Bandbreite liegt, die innerhalb des Chips bereitgestellt werden kann. Da außerdem keine Signale durch SerDes-Elemente laufen und keine Protokollcodierung wie etwa PCIe erforderlich ist, sind die Latenzen deutlich geringer, nämlich um den Faktor 10. eFPGA-Elemente lassen sich abgesehen davon so anlegen, dass sie Cache-kohärent sind. Nicht zuletzt hat sich gezeigt, dass sich der Stromverbrauch durch die Integration von FPGA-Strukturen gravierend verringern kann. Strom wird auch auf der System-Ebene gespart, weil ergänzende Bauteile zur Kühlung aber auch passive Bauelemente und Taktgeneratoren entfallen können.

Zweitens erschließt sich mit der Implementierung von eFPGA-Strukturen eine wichtige neue Dimension. Im Unterschied zu diskreten FPGAs, die mit festgelegten Größen und Performance-Daten angeboten werden, lässt sich die Grenze zwischen Logikgattern und Speicher in einem eFPGA-IP-Block mit den Designtools dynamisch verändern, und zwar nahezu ohne Einschränkungen. Dies verleiht Designern die Fähigkeit, genau den Umfang an FPGA-Strukturen einzubauen, der zur Beschleunigung der gewünschten Funktionen benötigt wird. Dank dieser Transparenz lässt sich in einem SoC der optimale Mix aus CPU-Kernstrukturen und FPGA-Elemente realisieren. Die FPGA-Struktur ist also stets nur so groß wie nötig, um die Chipfläche, die Kosten und den Stromverbrauch zu optimieren.

Fazit

Die Industrie ist an einem Punkt angelangt, an dem sich FPGA-Strukturen auf sinnvolle, erschwingliche und praktikable Weise in alltägliche CPU- und SoC-Designs integrieren lassen, ohne dass der Designprozess dadurch übermäßig zeit- oder kostenaufwändig würde. Voraussetzung hierfür sind natürlich umfangreiche Designtools, die bei der Entwicklung von Embedded-Hardware dieser Komplexität eine Schlüsselrolle spielen. Achronix bietet mit eFPGA einen eben solchen Ansatz. Es stellt sich die Frage, welche neuen architektonischen Möglichkeiten sich hierdurch für neue SoC- oder CPU-Designs erschließen.

Bausteinwahl

Warum sich MCU-Anwender mehr für FPGAs interessieren sollten

FPGA oder Mikrocontroller?

* Alok Sanghavi ist Senior Product Marketing Manager bei Achronix.

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