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Details zur Quantum-Architektur von Efinix und ihre Vorteile

19. Juni 2021, 16:58 Uhr   |  Harald Werner, Sales Director Europe bei Efinix

Details zur Quantum-Architektur von Efinix und ihre Vorteile
© Efinix/WEKA Fachmedien

Harald Werner, Efinix: »Aufgrund der skalierbaren Architektur von Efinix ist es nicht mehr nötig, den FPGA-Markt in Low-, Mid-Range- und High-End-FPGAs zu unterteilen - stattdessen passt die Quantum-Architektur für alle!«

Programmierbare Logik gibt es seit über 30 Jahren. Lange hat sich in der Architektur nicht viel geändert, mit Efinix ist jetzt ein neuer Ansatz erhältlich, der eine kleinere Die-Fläche und einen geringeren statischen sowie dynamischen Stromverbrauch ermöglicht. Wo liegen die Unterschiede im Detail?

Ein kleiner Blick in die Geschichte der programmierbaren Logik: Die ersten Programmierbaren Bausteine waren sehr kleine PALs/GALs, auf die sehr schnell die CPLDs folgten. Diese Bausteine hatten eine konstante Pin-to-Pin-Geschwindigkeit und konnten größere kombinatorische Steuerlogik mit Makrozellen-basierten Architekturen implementieren, die im Grunde große Logikblöcke (Und/Oder Arrays) mit einem Flipflop waren. Um die Geschwindigkeit der Datenpfade zu erhöhen, wurden FPGAs entwickelt. FPGAs haben eine Pipeline-Struktur mit kleineren Logikelementen (LEs) als in den typischen CPLD-Blöcken zu sehen waren. Diese LEs haben Look-up-Tables (LUTs), die alle möglichen logischen Kombinationen ihrer Eingänge zu einem bestimmten Ausgang definieren und so die benötigte Funktion implementieren. Die LUT speist ein Register, das die Logik abtasten (»pipelinen«) kann, um höhere Systemgeschwindigkeiten auf Kosten einer größeren Latenzzeit zu erreichen.

Mit der Zeit wurden der FPGA-Architektur Speicher- sowie DSP-Blöcke für arithmetische Funktionen hinzugefügt. Um all diese komplexe Logik miteinander zu verbinden, benötigt die Architektur sehr viele konfigurierbarer Routing-Ressourcen, die ein Hauptbestandteil der FPGA-Architektur sind und die gesamte Die-Fläche des FPGAs beeinflusst. Eine größere Die-Fläche erhöht die statische Verlustleistung des Bausteines.

Die grundlegende FPGA-Architektur hat sich im Laufe der Zeit nicht wirklich stark verändert. Es wurden zwar verschiedene Module oder Funktionen hinzugefügt und erweitert, und die Siliziumstruktur wurde auf Technologien mit geringerer Geometrie reduziert, aber das Hauptkonzept der festen Logik, die durch eine feste Routing-Struktur verbunden ist, wird auch heute noch verwendet. (Abbildung 1)

Traditionelle-FPGA-Fabric
© Efinix

Im Laufe der Zeit hat sich der FPGA-Markt in Low-, Mid-Range- und High-End-FPGAs aufgeteilt. Die interne Struktur der Bausteine ist meist gleich, aber sie verfügen über unterschiedlich viele Routing-Ressourcen und unterschiedliche I/O-Verbindungen. Im Low- bis Mid-Range-Bereich bedeuten weniger Routing-Ressourcen eine geringere Die-Fläche die auf Kosten einer geringeren Geschwindigkeit (Fmax) erkauft wird. Leider ist die Architektur mit weniger Routing-Ressourcen nicht so skalierbar, und man bekommt schnell Routing-Probleme in den überlasteten Bereichen des Bausteines. Gleichzeitig bleiben viele Routing-Ressourcen ungenutzt, da die meisten Bereiche des Bausteines nicht alle der verfügbaren Routing-Ressourcen benötigen. Jedes Design ist einzigartig in Bezug auf die Menge an Routing und Logik, die benötigt wird, um die Gesamtfunktion zu erfüllen. 

Die meisten Logikblöcke haben nur eine begrenzte Anzahl von Ein- und Ausgängen zum Block. Wenn der Entwickler alle Eingänge aufgebraucht hat, kann er auf die verbleibende Logik im Block nicht mehr zugreifen. Das dedizierte Routing kann Signale schnell über den Chip bringen, aber wenn nur wenige Möglichkeiten vorhanden sind, auf die Routing-Leitung zu gelangen und sie zu verlassen, schränkt die Überlastung ihre Benutzbarkeit stark ein. Eine Analogie: eine Autobahn mit nur wenigen Auf- und Abfahrten vor. (Abbildung 2)

Verkehrsstau
© Adobe Stock/Beboy

Abbildung 2. Verkehrsstau

Wenn alle an der gleichen Stelle auf- oder abfahren müssen, werden sie im Stau stehen. Wenn es aber viele Auf- und Abfahrten auf der Autobahn gibt, verteilt sich der Verkehr und der Verkehr kann reibungsloser ablaufen.

Efinix mit Sitz in Santa Clara hat eine neuartige FPGA-Architektur entwickelt, die das Problem der Überlastung und der Benutzerfreundlichkeit löst.

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1. Details zur Quantum-Architektur von Efinix und ihre Vorteile
2. Die Innovation der Quantum-Architektur
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